Tailoring aeroelastico di un’ala anteriore di una vettura di Formula Uno = Aeroelastic tailoring of a Formula One car's front wing

Gli effetti aeroelastici ricoprono un ruolo di vitale importanza in tutte quelle applicazioni nelle quali si è in presenza di un'interazione tra una corrente fluida e una struttura, per via della generazione di carichi fluidodinamici che tendono a deformare la struttura e modificarne le proprietà. Nessun materiale è, infatti, perfettamente rigido ed esisterà sempre una certa componente deformativa che non può essere evitata ma soltanto limitata. Ciò non solo rende indispensabile effettuare un notevole numero di analisi preliminari in modo da garantire il corretto e sicuro funzionamento di una struttura, ma può anche costituire un'opportunità per avere un maggiore controllo sulle prestazioni aerodinamiche della struttura stessa, come nel caso, ad esempio, delle vetture da competizioni che presentano superfici deportanti. In questa tesi, in particolare, si esplorerà il concetto delle ali flessibili, mediante la modellazione e l'analisi sia strutturale che aeroelastica di un'ala anteriore di Formula 1: il regolamento tecnico impone dei valori massimi di deflessione degli elementi deportanti che la costituiscono, verificandone il rispetto mediante delle prove di carico statiche. Ciò non tiene conto degli effetti aeroelastici, che possono quindi essere sfruttati dalle scuderie per ottenere vantaggi in termini di prestazioni aerodinamiche. Ciò viene fatto mediante l'opportuno dimensionamento delle geometrie ma soprattutto degli strati di composito che costituiscono l'ala (tailoring). Il punto chiave è quindi quello di verificare il comportamento aeroelastico della struttura al variarne della laminazione, in termini di angolo di inclinazione delle fibre del composito, in modo da quantificare gli effetti strutturali e aerodinamici che insorgono. In questo senso, dopo aver introdotto le nozioni fondamentali riguardanti il problema aeroelastico, verrà approfondito il regolamento tecnico 2023, in modo da estrapolarne le informazioni necessarie alla costruzione del modello. Per ovvi motivi, non sarà possibile raggiungere il livello di ottimizzazione delle forme e delle proprietà strutturali tipiche dei casi reali e perciò verranno operate le opportune approssimazioni. La parte strutturale sarà costruita mediante la combinazione del Finite Elements Method (FEM) e della Carrera Unified Formulation (CUF), basate sui concetti di funzioni di forma e funzioni di espansione. La mesh aerodinamica, la sua correlazione con la mesh strutturale e le analisi aeroelastiche saranno gestite mediante il software MSC Nastran, nel quale sono implementati gli algoritmi associati al Doublet Lattice Method (DLM). Verificata l'efficacia della CUF mediante la riproduzione di analisi già effettuate da altri autori e concluso il processo di costruzione del modello finale, si procederà con le analisi statiche ed aeroelastiche, rispettivamente in modo da verificare il rispetto dei requisiti imposti dal regolamento e il comportamento della struttura sotto il carico aerodinamico. Per facilitare il confronto tra le varie laminazioni verrà effettuata un'analisi aerodinamica semplice mediante l'utilizzo di xfoil, volta all'ottenimento dei valori di deportanza e resistenza sia per la struttura indeformata che per quella deformata, utili come figure di merito per il problema. Infine, si valuterà, per ognuna delle configurazioni, la velocità di flutter, in modo da garantirne la lontananza dalle velocità di progetto.