Materiali compositi in F1

Lezione Progetto del Telaio del 3 maggio 2016 Ing Enrico Torricelli - Ferrari GES

Ing. Enrico Torricelli, ufficio strutture Scuderia Ferrari (USGES)

Materiali compositi

I materiali compositi sono per definizione materiali costituiti da due o più fasi (componenti) tali che :

In particolare ci concentriamo sui compositi bi-componenti, formati da: rinforzo=elemento più resistente in fase discontinua (dà struttura); matrice=componente meno resistente in fase continua. E’ possibile dividere i materiali compositi in due categorie:

Le fibre lunghe hanno lunghezza pari a quella del manufatto e possono essere disposte unidirezionalmente oppure a tessuto (woven). Le fibre corte invece possono raggiungere i 6 o 8 cm e possono avere orientamento random oppure lungo una direzione. Le fibre hanno proprietà meccaniche elevatissime (Alta rigidezza specifica e resistenza specifica), mentre la matrice ha caratteristiche meccaniche inferiori, paragonabili a quelle dei metalli ma è più leggera di questi ultimi. La matrice assolve i seguenti compiti: mantenere unite le fibre, proteggerle da azioni meccaniche e fattori ambientali e trasferire il carico esterno. Le proprietà del composito saranno intermedie tra quelle della fibra e quelle della matrice. I metodi utilizzati per lo studio dei compositi sono: 

  - Meccanica della lamina (Analizza un layer);
  - Teoria dei laminati.

La meccanica della lamina si suddivide a sua volta in micromeccanica e macromeccanica. La micromeccanica studia le principali proprietà della lamina a partire da quelle di fibra, matrice e dalla loro interazione. Si ricorre alla “regola della miscela”:

Il legame σ-ε per la fibra è lineare mentre per la matrice è non lineare. Il laminato ha comportamento lineare dunque non ha fase plastica. La macromeccanica studia la lamina sotto l’ipotesi di ortotropia e omogeneità senza considerare l’interazione tra i componenti.

La teoria dei laminati si basa sul seguente set di ipotesi:

Dal legame costituivo osserviamo che le deformazioni sono continue lungo lo spessore del laminato mentre le tensioni no poiché le matrici costitutive non sono le stesse per le diverse lamine.

In base alle caratteristiche della matrice pseudo-costitutiva del laminato si possono ottenere diversi tipi di laminato.

Le possibili tipologie di rottura del manufatto in composito sono:

I criteri di resistenza utilizzati sono: 

Criterio della massima tensione (la rottura avviene quando una delle lamine raggiunge la tensione massima)
Criterio della massima deformazione (la rottura avviene quando una delle lamine raggiunge la massima deformazione ammissibile)
Criterio di Tsai - Hill (è un’estensione del criterio di Von Mises e prevede rottura quando il lavoro di distorsione supera il lavoro ammissibile)
Criterio di Tsai – Wu (relazione quadratica tra le componenti di tensione)

I primi due criteri non vanno bene se il carico è complesso, poiché possono risultare troppo conservativi o troppo pessimisti. Gli ultimi due hanno stesso comportamento a trazione, ma quello di Tsai-Wu funziona meglio a compressione. E’ importante valutare quando avviene la rottura della prima lamina.

Le principali tecnologie di produzione di compositi in fibra lunga sono:

Utilizzo in F1

Classifichiamo i tipi di fibre e resine utilizzate in F1.

Fibre

Resine

Le resine utilizzate sono le termoindurenti

La maggior parte dei componenti di una vettura di F1 è realizzata in carbonio. Nel telaio si utilizza la struttura a sandwich composta da due laminati tra i quali si interpone un’anima a nido d’ape in alluminio o in fibra di cartone che permette di trasferire i carichi di taglio. Il telaio è composto da un guscio superiore e un guscio inferiore che vengono incollati mediante una pasta adesiva e tra i due gusci vengono incollate delle centine per conferire una maggiore rigidezza. Per le giunzioni, siccome non è possibile effettuare la saldatura, vengono utilizzati degli inserti in alluminio collocati nella struttura a nido d’ape. Le fibre utilizzate sono le HM e HS mentre le resine sono le epossidiche. Sul telaio vengono eseguite prove estreme sia statiche che dinamiche. Anche per le strutture crash si utilizzano le stesse soluzioni costruttive del telaio e vengono progettate in modo da garantire l’assorbimento dell’energia durante l’urto. La carrozzeria ha una funzione aerodinamica (infatti copre motore e telaio) e anch’essa è realizzata con struttura a sandwich. Per quanto riguarda la parte principale dell’ala anteriore si utilizzano due gusci incollati a cui poi vengono aggiunti gli altri componenti. E’ interessante osservare come il numero di pelli utilizzate per l’ala anteriore sia lo stesso necessario per tutto il telaio, ovviamente di dimensioni minori.

Calcolo e progettazione componenti in materiale composito

Considerando l’esempio dell’ala anteriore la progettazione può essere divisa nelle seguenti fasi: 

Definizione della geometria (compito degli aerodinamici)

Si parte da un semplice tubo chiuso che garantisce la minima resistenza aerodinamica. 

Re-design per rispettare i vincoli di manufacturing

Il tubo chiuso viene realizzato mediante l’incollaggio di un guscio superiore e uno inferiore prevedendo due zone di giunzione, una anteriore e una posteriore. La superficie esterna dell’ala è quella che durante la realizzazione viene posta lato stampo poiché ciò garantisce migliore finitura superficiale mentre la parte interna è posta lato sacco a vuoto. 

Creazione del modello FEM

L’ala viene modellata mediante elementi SHELL 2D e ciò consente di variare lo spessore senza dover ridefinire tutto come invece avviene utilizzando elementi 3D. Si ricorre ad un approccio di tipo ply-based: si definisce l’estensione delle pelli e la loro disposizione ottenendo così il laminato. 

Calcolo

In questa fase viene fatta la simulazione FEM vera e propria. 

Verifica

Non si valuta la tensione massima come negli acciai ma si valuta il FAILURE INDICES (FI) che dal criterio di resistenza di Tsai-Wu deve essere minore di 1 per non avere rottura. Nell’esempio specifico dell’ala si attesta intorno allo 0,2 quindi si è lontani dalla zona critica. Per avere un’informazione sul carico si ricorre al RESERVE FACTOR che non è il reciproco del FI poiché il legame non è lineare. Quest’ultimo è l’analogo del fattore di sicurezza dei metalli e ci dice di quanto il carico può essere amplificato prima che avvenga la rottura della prima pelle. La ragione per cui si ricorre a questi fattori è che il FEM dà grande incertezza sui valori di resistenza (anche del 20%) mentre per la rigidezza si riesce ad arrivare quasi al valore esatto. Quanto detto vale per corpi sottili (ali e telaio), mentre per i corpi tozzi le stime sono molto lontane dai valori reali. Spesso può capitare che dopo la rottura della prima pelle il laminato continui ad assolvere la sua funzione(first ply failure e last ply failure sono distanti) poiché c’è una ridistribuzione dei carichi. Si sta sviluppando un modello di calcolo, noto come progressive failure analysis, che considera il progressivo fallimento di fibra e matrice e man mano aggiorna la matrice di rigidezza permettendo di calcolare come si ridistribuisce il carico.

Avolicino Mattia

Cicero Claudio

Diana Giovanni

Romano Alessandro

Luca Marchesi

Simone Mongiardo