MODELLISTICA Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 1 I MODELLI – tipologie e funzioni I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione, sviluppo, messa a punto di un veicolo Testing Carsim Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale “Virtual model may help very much” prof. D. Cambiaghi Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 2 I MODELLI – tipologie e funzioni I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione, sviluppo, messa a punto di un veicolo “Virtual model may help very much” prof. D. Cambiaghi Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 3 I MODELLI – Modelli analitici Occorre individuare un set di equazioni che mi descrivano (+ o – accuratamente) il veicolo o parte di esso. Più il modello è accurato più è difficile da gestire (alimentazione, computazione, instabilità numerica..) Generalmente gli output da produrre sono molti a fronte di pochi input. INPUT MODELLO (variabili di stato) OUTPUT Oltre agli output possono essere utili al fine delle analisi anche le variabili di stato (non sempre di facile osservazione) Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 4 I MODELLI – Esempio: modello analitico Input: δ (angolo volante), u (velocità longitudinale) Modello (variabili di stato) Output: ay (accelerazione laterale), ψ (yaw-rate) Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 5 I MODELLI – tipologie e funzioni I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione, sviluppo, messa a punto di un veicolo “Virtual model may help very much” prof. D. Cambiaghi Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 6 I MODELLI – Modelli numerici Carsim VS a parametri concentrati caratteristiche degli elementi di collegamento e dell’interazione con l’ambiente (strada, aria, …) ADAMS multibody definizione delle azioni scambiate tra i corpi e con l’ambiente per determinare i gradi di libertà Se cerco di descrivere il modello di sospensione: - in Adams (come in SimMechanics) identifico i punti di attacco dei braccetti al telaio (e relativi GdL dei vincoli), i punti di vincolo dei braccetti al portamozzo (e relativi GdL dei vincoli), la geometria dei braccetti, le rigidezze (molle, ammo, isteresi,...) e le azioni (inerzie, aero, attriti...) e ottengo il movimento del gruppo ruota; - in Carsim identifico la posizione relativa del gruppo ruota rispetto al telaio e descrivo con una serie di curve la cinematica permessa dai collegamenti (braccetti), le rigidezze e le azioni e ottengo il movimento del gruppo ruota; Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 7 I MODELLI – Esempio: numerico/parametri concentrati CarSim Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 8 I MODELLI – tipologie e funzioni I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione, sviluppo, messa a punto di un veicolo “Virtual model may help very much” prof. D. Cambiaghi Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 9 I MODELLI – Modelli geometrici Sono rappresentazioni grafiche 2D o 3D spesso realizzate con sw dedicati Questi sono: - Di facile realizzazione, non necessitano di dati in input (o comunque pochi e facili da reperire) - Utili per valutare ingombri e misure del veicolo/componenti o le interazioni tra un componente e l’altro - Usati anche per valutare la bontà di eventuali sistemi cinematici progettati (es. sospensioni) - Necessari ai sw CFD (e altri..) per lo studio dell’aerodinamica Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 10 I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D Analisi dimensionali Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 11 I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D Analisi cinematica sospensioni Analisi ingombri sospensioni Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 12 I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D Analisi CFD Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 13 I MODELLI – Esempio: modello geometrico 2D Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 14 I MODELLI – tipologie e funzioni I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione, sviluppo, messa a punto di un veicolo “Virtual model may help very much” prof. D. Cambiaghi Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 15 I MODELLI – Modelli fisici Consistono principalmente nella realizzazione di prototipi funzionanti Sono fondamentali per lo sviluppo di un veicolo in quanto è possibile ricavare sia dati oggettivi (sensori) che soggettivi (collaudatore). In base ai dati ricavati (sogg + ogg) si procede allo sviluppo del veicolo/componenti ma è una procedura molto costosa (più prototipi in base allo stato di avanzamento del progetto). Tuttavia l’utilizzo di un modello fisico risulta essere molto proficuo specie se il suo utilizzo è affiancato a quello di un modello virtuale. Con il modello virtuale è possibile ridurre i costi di sperimentazione su prototipi (es CarSim anziché pista o CFD anziché galleria del vento), ma è importante potersi fidare molto del proprio modello (modello accurato e validato) altrimenti il tutto risulterebbe controproducente. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 16 I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni in scala Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 17 I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni reali V.O.L.P.E. HEV – Telaio 2.05 Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 18 I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni reali Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 19 I MODELLI VIRTUALI – validazione e calibrazione Validazione: verifica che il modello sia rappresentativo dell’oggetto reale Calibrazione: determinazione dei valori da assegnare ai parametri del modello affinché si comporti come l’oggetto reale Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 20 I MODELLI VIRTUALI – validazione e calibrazione Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 21 I MODELLI VIRTUALI – il fattore termico Fading test – impianto frenante 700 600 200 km/h km 6.4 km 4.4 120 km/h Full throttle 80 km/h 500 Brake 0.7 g 400 km 3.2 200 km/h Full throttle 80 km/h 300 Brake 0.7 g km 2 200 Disks °C 100 200 km/h Full throttle 80 km/h Brake 0.7 g km 0.8 200 km/h Full throttle 80 km/h 0 0 200 400 Brake 0.7 g 175 km 20.4 200 km/h CTFL Full throttle 80 km/h CTFR Brake 0.7 g 150 125 km 19.2 200 km/h CTRL 100 Full throttle 80 km/h CTRR Brake 0.7 g km 18 200 km/h 75 Full throttle 80 km/h 50 Brake 0.7 g km 16.8 200 km/h Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 7.6 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 8.8 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 10 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 11.2 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 12.4 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 200 km/h km 13.6 Brake 0.7 g 80 km/h Full throttle 120 km/h km 14.8 Fluids °C 25 0 0 200 400 Nei modelli di veicolo per lo studio della dinamica solitamente l’effetto termico è trascurato 80 0.5 BPFL BPFR 60 0.25 BPRL BPRR 0 BPEDAL Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 22 I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici H. Pacejka Magic Formula Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 23 I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 24 I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici Aumentano i gradi di libertà per aumentare il numero di freq.proprie modellizzabili Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 25 I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici Lo pneumatico viene “meshato” e viene svolta un’analisi agli elementi finti. Più complesso, più caratterizzante, più “pesante” Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 26 SIMULAZIONE – che cosa si simula? La dinamica del veicolo in risposta a determinati input: • guidatore (acceleratore, freno, sterzo, cambio) • condizioni al contorno (ambiente, profilo stradale, forze esterne, etc) Il modello di veicolo utilizzato può essere configurato, secondo le necessità, per descrivere gli aspetti rappresentativi di un veicolo reale o di un nuovo prototipo Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 27 Simulatori di guida Caratteristiche/Obiettivi: • sistema “Human in the loop”: l’interazione umana è sempre una parte della simulazione e influenza i risultati in un modo che non è possibile rappresentare altrimenti (senzazioni soggettive) e permette di identificare problemi o peculiarità non percepibili da strumenti. • permette, quindi, una valutazione soggettiva • permettere al pilota/guidatore di interagire e conoscere le reazioni della vettura • se il modello è particolarmente valido, permette agli ingegneri di studiare e testare varie regolazioni e soluzioni di setup differente • possibilità di avere un’acquisizione dati come una vettura strumentata e valori “reali” • permette di simulare condizioni difficili per il guidatore (stato di ebbrezza – foratura di una gomma – crashes) • il tutto in ottica di riduzione dei tempi e costi Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 28 Simulatori di guida Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 29 Simulatori di guida Tipologie e livelli di simulazione: • Fissi: Il modello di veicolo, pista, gomme è volutamente ridotto per permettere ai software di poter essere eseguiti anche su macchine a basso costo e rendere la simulazione piacevole. Il pilota è seduto davanti a uno schermo fisso e non subisce nessun tipo di sollecitazione. La percezione delle reazioni della vettura derivano (nel migliore dei casi) solo da un feedback sul volante. Le modifiche attuabili al veicolo sono aderenti alla realtà ma non sempre provocano feedback reali sul veicolo. Possono essere costruiti anche in casa Esempi di simulatori di guida: rFactor (1 & 2), GTR, GT5, RichardBurnsRally etc... Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 30 Simulatori di guida • Dinamici: Il modello di veicolo si complica e vengono inseriti anche modelli migliori per gli pneumatici. Il pilota è seduto davanti a uno schermo fisso e subisce sollecitazioni generate da attuatori. La percezione delle reazioni della vettura deriva dal feedback volante e dal movimento degli attuatori. Le modifiche attuabili si avvicinano a quelle reali e generano reazioni simili a quelle reali. Le sollecitazioni ricevute dal pilota non sono uguali a quelle reali e servono solo per aiutare la generazione di sensazioni di guida il più aderenti possibile alla realtà. Esempi di modelli avanzati: rFactor Pro Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 31 • Simulazione della realtà: Simulatori di guida Il modello di veicolo è completo e reale. I dati utilizzati per la sua costruzione provengono direttamente dalla progettazione e non da dati sperimentali misurati e riprodotti. Le gomme sono modellate quanto più fedelmente possibile anche con il comportamento a usura e temperatura (spesso il modello è fornito dal produttore stesso) Il pilota è seduto in un cockpit reale (F1, Gp2, IRL) in assetto da gara (tuta, casco e guanti), davanti a uno schermo (fisso o mobile) e subisce sollecitazioni generate da attuatori (in diverse configurazioni) in grado di produrre tutte le sollecitazioni e in modo aderente alla realtà (dinamica, aerodinamica, gomme etc...) Le reazioni della vettura sono vicinissime a quelle reali, vissute in strada/pista. Le modifiche al setup sono quelle che è possibile eseguire nella realtà. E’ possibile eseguire un’analisi dati uguale a quella in strada/pista. I circuiti e le strade sono riprodotti quanto più fedelmente possibile sia dal punto di vista dell’asfalto (altimetrie, banking, cordoli) sia dal punto di vista paesaggistico (riferimenti visivi) Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 32 Simulatori di guida - Motorsport IRL Lotus RedBull Ferrari Toyota McLaren Università degli Studi di Brescia Gruppo Autoveicoli Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale IntroModellistica Laboratorio Carsim 33 Simulatori di guida - Motorsport Vantaggi: • permettere al pilota di conoscere la pista e migliorare/adattare il suo stile di guida alla pista (sessioni di “simulatore” vengono fatte prima di ogni gara) • permettere al pilota di “fare km” senza l’obbligo di scendere in pista (regolamenti/costi) • se il modello è particolarmente valido, permette agli ingegneri di studiare e testare vari setup e ai piloti di prendere feeling con le regolazioni e scegliere la migliore configurazione di partenza per il circuito • possibilità di avere un’acquisizione dati come su pista vera e, di conseguenza, valutare l’influenza e la bontà delle regolazioni Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 34 Simulatori di guida - Motorsport Svantaggi/limiti: • Motion sickness del pilota (M. Schumacher): o Il pilota deve “inseguire” la pista con gli occhi Capita più spesso con i simulatori a schermo fisso in cui si muove solo il “corpo vettura” e non lo schermo. Sono usati perchè hanno ingombri minori. Nei sistemi più avanzati, il sofware corregge in modo dinamico l’immagine per ridurre il carico di stress agli occhi e al cervello del pilota. o problematiche di “latency” La progettazione di un simulatore deve prevedere di “chiudere” il loop tra il pilota e il modello di vettura il più velocemente possibile per minimizzare la latenza. Più la banda di eccitazione diventa elevata più il peso computazionale aumenta e parallelamente diventa più difficile chiudere il loop. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 35 Simulatori di guida - Motorsport Svantaggi/limiti: • Motion sickness del pilota : o Field of view: la percezione di ciò che succede intorno aumenta la percezione della realtà. Di contro è necessario che questa sia consistente con quello che è simulato o risoluzione dell’immagine: è fondamentale per evitare agli occhi e al cervello sforzi eccessivi per riuscire a mettere a fuoco o individuare eventuali oggetti sul percorso o velocità di refresh dell’immagine: più la velocità è alta e più l’immagine diventa fluida. Anche in questo caso occhi e cervello sono meno sotto sforzo o visione binoculare: la distanza tra i nostri occhi genera due immagini differenti che il nostro cervello è in grado di comporre e per generare la visione tridimensionale della realtà. Nella simulazione questo funziona abbastanza bene quando guardiamo davanti a noi ma, girando gli occhi la diffenza diventa più importante e, di conseguenza, l’immagine proiettata deve tenere conto di questa differenza. o suono Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 36 Svantaggi/limiti: Simulatori di guida - Motorsport • Utilità della simulazione (K. Raikkonen) • Sollecitazioni sul pilota Ridotte possibilità di ricreare le effettive sollecitazioni sul pilota (G laterali/frontali / bump). Esistono diverse configurazioni delle strutture di movimentazione che devono essere in grado di far percepire tutti i g.d.l. del corpo vettura 6 d.o.f. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale 8 d.o.f. Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 37 Svantaggi/limiti: Simulatori di guida - Motorsport • modello di gomma: rappresenta uno dei colli di bottiglia (usura/dinamica/temperature). • risoluzione dell’asfalto: è limitata dal costo computazionale dell’operazione. Si tende ad aumentare la risoluzione in curva e diminuirla nei rettilinei. Nei rettilinei permane quindi l’impossibilità (si da meno importanza) di valutare la risposta della vettura in bump/rebound. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 38 Simulatori di guida - Motorsport Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 39 Simulatori di guida • Optically correct warp & blend of five projection channels • 4.0-6.0m radius cylindrical screen through 225deg • 5 projectors • Static or choice of motion options from 15-250Hz with motion compensated graphics • The screen is far enough a away that the driver's brain believes it is looking at infinity and sufficiently large that the driver never sees off the edge of the screen. Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 40 Simulatori di guida - Motorsport TECHNICAL SPECIFICATION Full multi-body vehicle model 3D laser-scanned tracks 1.5m stroke Hexapod Actuators Onboard 180° 12 Megapixel screen 1000 Hz real time simulation 2 g peak acceleration 3500 W surround sound Available for different vehicles (GP2, GP3, IRL etc...) Fonte: dallara.it Università degli Studi di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Gruppo Autoveicoli IntroModellistica Laboratorio Carsim 41
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