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1 - Modellistica - Università degli Studi di Brescia

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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)
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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)
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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
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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;
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7
I MODELLI – Esempio: numerico/parametri concentrati
CarSim
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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
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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
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I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D
Analisi dimensionali
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I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D
Analisi cinematica
sospensioni
Analisi ingombri
sospensioni
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I MODELLI – Esempio: modello geometrico 3D
Analisi CFD
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I MODELLI – Esempio: modello geometrico 2D
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I MODELLI – tipologie e funzioni
I modelli sono strumenti di ausilio all’attività di progettazione,
sviluppo, messa a punto di un veicolo
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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.
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I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni in scala
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I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni reali
V.O.L.P.E.
HEV – Telaio 2.05
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I MODELLI – Esempio: fisico/dimensioni reali
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IntroModellistica
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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
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IntroModellistica
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I MODELLI VIRTUALI – validazione e calibrazione
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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
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I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici
H. Pacejka Magic Formula
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I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici
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I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici
Aumentano i gradi di libertà per aumentare il numero di freq.proprie modellizzabili
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IntroModellistica
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25
I MODELLI VIRTUALI – Gli pneumatici
Lo pneumatico viene “meshato” e viene svolta
un’analisi agli elementi finti.
Più complesso, più caratterizzante, più “pesante”
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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
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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
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IntroModellistica
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28
Simulatori di guida
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Gruppo Autoveicoli
IntroModellistica
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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...
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IntroModellistica
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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
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• 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)
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IntroModellistica
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Simulatori di guida - Motorsport
IRL
Lotus
RedBull
Ferrari
Toyota
McLaren
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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
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IntroModellistica
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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.
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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
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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.
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8 d.o.f.
Gruppo Autoveicoli
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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.
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38
Simulatori di guida - Motorsport
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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.
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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
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