Metodologia innovativa e nuovi materiali nella progettazione strutturale di una nave veloce. Relatore: Ing. Giuseppe Cervelli Centro Ricerche Fiat

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1 Metodologia innovativa e nuovi materiali nella progettazione strutturale di una nave veloce Relatore: Ing. Giuseppe Cervelli Centro Ricerche Fiat 1

2 FASI DEL LAVORO FASE I Definizione degli obiettivi e analisi del problema FASE II Applicazione di una metodologia innovativa di progettazione strutturale basata sull ottimizzazione topologica FASE III Caratterizzazione di pannelli sandwich con core in schiuma di alluminio e valutazione della possibilità di impiego al caso in studio 2

3 FASE I Overview del progetto SINAVE ed obiettivi La collaborazione tra Politecnico di Bari, Centro Ricerche Fiat e Rodriquez Cantieri Navali ha come oggetto la progettazione della parte strutturale della nave. Unità navale proposta dai cantieri Caratteristiche navali Rodriquez: SINAVE: 1. Trimarano 1. Buone capacità di carico (60 container X 15t) Ponte di carico unico prestazioni (velocità max 35 nodi) Elevate 1. Sistema propulsivo:idrogetto Turbina sullo scafo centrale Due motori diesel veloci sugli scafi laterali 3

4 FASE I Normativa di riferimento: HSC R.I.NA. Progettazione Classica Studio Bidimensionale Lunghezza > 65m Velocità max > 45 nodi Condizioni di carico aggiuntive Modellazione tridimensionale Dimensionamento delle sezioni trasversali più sollecitate Verifica strutturale attraverso gli elementi finiti 4

5 FASE I Iter progettuale classico Predimensionamento strutture secondo normativa e scelta del materiale Definizione e implementazione delle condizioni al contorno su tale sezione Individuazione sezione critica Verifica strutturale Verificato? si Progettazione restanti componenti no Iter progettuale proposto no Predimensionamento strutture secondo normativa e scelta del materiale Disegno del complessivo ٣D di partenza e Modellazione FEM Studio del particolare e Riprogettazione no Definizione e implementazione delle condizioni al contorno Verificato? Analisi e verifica strutturale del modello di partenza Analisi e verifica strutturale del modello ottimizzato Verificato? Modello ottimizzato si Ottimizzazione strutturale (parametri di ottimizzazione: massima rigidezza, minima massa) Riprogettazione secondo le indicazioni dell ottimizzazione si Modello definitivo 5

6 FASE I L ottimizzazione Topologica 6

7 FASE I Approccio Multilivello Livello generale (complessivo) Modello a Sezioni Piene Stato di Tensione Modello Ottimizzato Livello particolare (singola paratia) Modello a Sezioni Piene Stato di Tensione Modello Ottimizzato Re-Design Analisi strutturale dei design ottimi 7

8 FASE I Soluzioni tecnologiche e scelta dei materiali Tecnologie prese in esame per la produzione (dati input progettazione): Estrusione Pannelli sandwich Fasciame lamierato rinforzato con correnti Giunzione mediante saldatura e rivettatura Materiali: Schiuma di alluminio per pannelli sandwich Lega di alluminio (AA 5059 H321 e AA 6061 T5/T6) Si prenderanno in considerazione, altresì, le soluzioni tecnologiche di assemblaggio e saldatura connesse con l impiego di questi nuovi materiali. 8

9 FASE I Individuazione delle condizioni di carico La normativa di riferimento contempla condizioni di carico e vincolo da applicare ad unità navali a singolo e doppio scafo non menzionando in alcun modo la procedura da seguire per i trimarani. Da un attenta analisi delle indicazioni che il RINA fornisce per i due casi contemplati, si è estrapolata la metodologia utilizzata per la definizione delle condizioni al contorno, adottandola per la progettazione del trimarano. Si è proceduto quindi all individuazione accurata delle condizioni di carico, ponendo maggiormente attenzione alle condizioni di esercizio più critiche derivanti dalle combinazioni di carichi più sfavorevoli. 9

10 FASE I FASE I Condizioni di carico finali Prima condizione di carico Condizione 1 GALLEGGIAMENTO STATICO Condizione 2 GALLEGGIAMENTO a VELOCITA COSTANTE COMBINATA 2 Condizione Condizione Condizione Condizione ONDA ONDA ONDA ONDA (a (a (a (a = = = = 83º, 75º, 45º, 30º, L L L L = = = = m, m, m, m, n n n n = = = = 2) 6) 11) 11) COMBINATA 1 COMBINATA 3 Condizione 3 FORZE D INERZIA nodali Condizione 8 ACCELERAZIONE TRASVERSALE 10

11 FASE I Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal moto ondoso Si è simulata una onda sinusoidale che impatta sugli scafi del trimarano, con un certo angolo di incidenza, una certa lunghezza d onda ed in una posizione ben definita. Facendo variare in maniera discreta i tre parametri definiti si sono ottenuti 2086 tipologie diverse di onde e il parametro con cui si è valutata la criticità delle condizioni di carico applicate è la tensione di Von Mises. 11

12 FASE I Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal moto ondoso DEFINIZIONE PARAMETRI I parametri presi in esame sono i seguenti: angolo ALFA indica l angolo di incidenza dell onda: x lunghezza dell onda indica la distanza fra due creste successive: Sistema di riferimento globale Oxyz Sistema di riferimento posizionato nel punto di Origine delle Onde Linea di galleggiamento z y n indica la posizione dell onda a diversi intervalli di tempo; i valori scelti sono variabili in funzione della lunghezza d onda; in particolare si è scelto di considerare l onda che si sposta lungo la direzione di incidenza con intervalli costanti di tre metri Oxyz Profilo dell`onda x z O α x incidenz a y O

13 FASE I Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal moto ondoso ANALISI STATISTICA Al fine di valutare l effettiva influenza dei parametri considerati sulle sollecitazioni al ponte e individuare i casi più critici da utilizzare per l implementazione dei carichi di pressione di impatto, si è svolta una elaborazione statistica dei dati numerici ottenuti con le simulazioni attraverso un analisi di varianza (ANOVA). La ricerca è stata svolta attraverso un procedimento di analisi fattoriale: si è costruito un piano fattoriale completo in modo da studiare l azione dei tre fattori in corrispondenza di varie combinazioni dei rispettivi livelli. Oggetto di analisi: tensione di Von Mises al wet deck Fattori variabili: angolo di incidenza 7 livelli lunghezza d onda 17 livelli posizione d onda 3 livelli 13

14 FASE I Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal moto ondoso - RISULTATI 60 posizione p o s i z i o ne n lu n g h e z z a d i o n d a 20 lunghezza di onda angolo di incidenza a n g o l o d i in c id e n z a

15 FASE I Vincoli L analisi è stata svolta applicando i vincoli come segue: Vincoli verticali lungo la chiglia di ogni scafo nelle sezioni in cui l angolo formato tra fasciame del fondo e del fianco è maggiore di 135 Vincolo verticali lungo i punti in corrispondenza dell incrocio fra fasciame dei fianchi e del fondo se l angolo formato da questi elementi è minore di

16 FASE II Ottimizzazione Strutturale Si pone come funzione obiettivo la COMPLIANCE con vincolo sulla frazione di massa utilizzabile rispetto al valore nominale: 60% su paratie e paramezzali (spessori compresi tra 0 e 8 mm) famiglia 1 famiglia 2 famiglia 3 5 Variabilifamiglia di progetto Paratie e Paramezzali Vincoli di ottimizzazione Ridurre il volume fino al 60% Funzione obiettivo Massimizzare la Rigidezza globale della struttura famiglia 6 famiglia 7 famiglia 4 famiglia 8 16

17 FASE II Redesign topologico delle costole Famiglia 1 Alleggerimento % = 11.45% Famiglia 2 Alleggerimento % = 32% 17

18 FASE II Redesign topologico delle costole Famiglia 3 Alleggerimento % = 39 % Famiglia 4 Alleggerimento % = 34 % 18

19 FASE II Redesign topologico delle costole Famiglia 5 Alleggerimento % = 25 % Famiglia 6 Alleggerimento % = 40.5 % 19

20 FASE II redesign topologico delle costole Famiglia 7 Famiglia 8 Alleggerimento % = 57.3 % Alleggerimento % = 39 % 20

21 FASE II Redesign topologico delle strutture longitudinali Paratia longitudinale centrale dello scafo centrale Alleggerimento % = 55 % 21

22 FASE II Redesign topologico delle strutture longitudinali Paratia longitudinale centrale dello scafo laterale Alleggerimento % = 58.4 % 22

23 FASE II Rinforzi: Piattabande su paramezzali e costole COSTOLE Peso iniziale = t Peso paratie ottimizzate = 69.2 t Peso paratie e piattabande = 93.2 t PARAMEZZALI Peso iniziale = 61.7 t Peso paramezzali ottimizzati = 23.7 t Peso paramezzali e piattabande = 33.1 t 23

24 FASE II Verifica strutturale Impostazione di carichi e vincoli La verifica strutturale è stata eseguita per la sezione più sollecitata nella condizione di carico più gravosa. Un analisi preliminare del modello complessivo ha permesso di individuare la zona più critica. Si è considerato un settore longitudinale del modello individuato da tre costole. Il settore è stato vincolato imponendo gli spostamenti sui nodi degli elementi di estremità. 24

25 FASE II Verifica strutturale Analisi dei risultati Sebbene il settore analizzato sia il più critico la maggior parte della struttura risulta poco sollecitata. La zona critica è confinata vicino ai raccordi tra scafo centrale e wetdeck e nella parte inferiore nel foro centrale della paratia. Al fine di ottenere un ulteriore abbattimento del valore delle tensioni si sono apportate alcune modifiche strutturali come ad esempio raggi di raccordo, squadrette, ispessimenti locali. 25

26 FASE II Industrializzazione delle costole rinforzate Configurazione topologica proposta Redesign definito dai cantieri 26

27 FASE II Modello industrializzato Caratteristiche del modello FEM Elementi totali: circa Nodi: circa Elementi utilizzati: elementi shell 2D a 3 e 4 nodi per la modellazione di scafi, paratie, paramezzali, costole di rinforzo, ponti e piattabande elementi monodimensionali con sezione a T per la modellazione di longheroni, rotaie ed elementi di rinforzo trasversali Si sono implementate tutte le condizioni di carico definite per i modelli precedenti, e si sono imposti i vincoli come da manuale RINA. 27

28 FASE II Risultati analisi I risultati ottenuti per le condizioni di carico che tengono conto dell impatto delle onde presentano zone con elevate concentrazioni di tensione. Le zone in cui si è avuta concentrazione di tensione sono risultate: zone di vincolo zona di raccordo tra scafo centrale e wet-deck Modello industrializzato Modello ridisegnato 28

29 FASE III Caratterizzazione e impiego di pannelli AFS (Alluminum Foam Sandwich) Schiume metalliche: Proprietà principali materiale cellulare con morfologia costituita da celle chiuse, rotonde o poliedriche che possono essere separate da sottili pellicole. elevata rigidezza unita a basso peso specifico; ottime doti di smorzamento; buona capacità di assorbimento urti; minore resistenza rispetto al materiale pieno. Materiale di base Classificazione Metallico; Polimerico, Ceramico. Morfologia delle celle Aperte; Chiuse. 29

30 FASE III Pannelli sandwich consistono in due lamine sottili, dette pelli, separate da un core in materiale uguale o differente a quello delle lamine esterne. Il core serve ad allontanare le pelli incrementando il momento d inerzia, rendendo il pannello estremamente resistente ai carichi di flessione e di buckling. I provini sono stati ricavati da pannelli prodotti con la tecnica della metallurgia delle polveri messa a punto dall Istituto Fraunhofer di Brema. 30

31 FASE III Test sperimentali Set Up Sono state condotte 10 prove di trazione statica eseguite su due tipologie di provini aventi differenti spessore di schiuma metallica. Per ciascuna tipologia 1 provino è stato portato a rottura e i restanti 4 sono stati sottoposti a cicli di isteresi (carico e scarico) I provini sono stati strumentati con 4 estensimetri elettrici a resistenza, due per lato in direzione longitudinale e trasversale al fine di misurare il modulo di elasticità longitudinale e il coefficiente di Poisson Listello Nelle zone di afferraggio è stato necessario eliminare la schiuma e sostituirla con listelli di alluminio al fine di evitare fenomeni di schiacciamento e permettere il corretto trasferimento del carico al provino Particolare dell afferraggio 31

32 FASE III Diagrammi sforzo deformazione dei provini portati a rottura Risultati della prova di rottura Modalità di rottura σ y := 21[MPa] Rilevazioni estensimetriche delle deformazioni longitudinali I risultati letti sui due lati del provino rivelano una leggera eccentricità (flessione indotta) dovuta alla disomogeneità della schiuma e/o ad un leggero disallineamento delle morse 32

33 FASE III Diagrammi sforzo-deformazione dei provini sottoposti a carico e scarico Il modulo di Young decresce leggermente a seguito di cicli di carico e scarico a causa della plasticizzazione del core 33

34 FASE III Applicazione delle caratteristiche degli AFS al modello numerico Settore con la paratia 66 Paratia in lega di Al Paratia in AFS 34

35 Conclusioni La progettazione strutturale delle navi, pur avvalendosi delle moderne tecniche di calcolo (FEM), si basa principalmente sull esperienza del progettista. Questo lavoro ha dimostrato la concreta possibilità di automatizzare la progettazione di strutture di larga scala sottoposte a molteplici condizioni di carico. Questo con poco sforzo da parte del progettista. I risultati ottenuti hanno permesso di concepire strutture innovative ma allo stesso tempo realizzabili nella cantieristica navale. La fase di riprogettazione ha determinato: una migliore distribuzione delle tensioni a parità di sollecitazione imposta; una notevole diminuzione di peso; una migliore resistenza alle sollecitazioni flessionali e torsionali. Sviluppi futuri: riprogettazione di particolari navali mediante modellazione solida; riottimizzazione strutturale del trimarano con l utilizzo dei pannelli AFS; ottimizzazione di spessore dei pannelli sandwich. 35

36 Ringraziamenti Si ringrazia il gruppo di lavoro costituito da: Prof. Ing. Umberto Galietti (Politecnico di Bari) Ing. Renato Giannoccaro (Politecnico di Bari) Ing. Gianvito Mona (Politecnico di Bari) Ing. Alessandro Denavasquez (Politecnico di Bari) Ing. Marco Brandizzi (Centro Ricerche Fiat) Ing. Daniele Bassan (Centro Ricerche Fiat) Ing. Mirko Gernone (Centro Ricerche Fiat) Ing. Matteo Fracchiolla (Centro Ricerche Fiat) Si ringrazia, per la cortese collaborazione Ing. Salvatore Ricca (Rodriquez Cantieri Navali) Ing. Giovanni Morabito (Rodriquez Cantieri Navali) 36