Nella progettazione di una monoposto di Formula Student, CATIA l'analisi delle superfici è un passaggio essenziale prima di eseguire qualsiasi simulazione di fluidodinamica computazionale (CFD). Sebbene la CFD riceva spesso la maggior parte dell'attenzione, la qualità del modello CAD ha un impatto diretto sulla generazione della mesh, sulla stabilità della simulazione e sull'affidabilità dei risultati.

Un modello può apparire perfettamente liscio sullo schermo, ma anche piccole imperfezioni, transizioni superficiali imprecise o lievi problemi di continuità possono complicare la creazione della mesh e ridurre la precisione di uno studio CFD. Ecco perché la validazione della geometria prima della simulazione è importante quanto la configurazione del solutore stesso.

Durante la mia seconda stagione con il Konrul Racing Team, ho avuto l'opportunità di valutare uno dei nostri prototipi di carrozzeria in fase avanzata di sviluppo utilizzando la 3DEXPERIENCE . Il mio obiettivo non era semplicemente quello di eseguire una simulazione CFD, ma prima di tutto volevo comprendere la qualità della geometria stessa.

In questo articolo, descriverò il flusso di lavoro che ho seguito, partendo CATIA dall'analisi delle superfici e proseguendo con la preparazione della geometria, prima di valutare la carrozzeria in SIMULIA CFD. Lungo il percorso, condividerò ciò che ha funzionato bene, le difficoltà incontrate e le lezioni apprese.

Le immagini seguenti mostrano il prototipo della carrozzeria della Formula Student che è servito da base per questo studio prima di passare al flusso di lavoro di analisi delle superfici.

Figura 1. Vista isometrica del prototipo della carrozzeria della Formula Student.

Figura 2. Vista laterale che evidenzia il profilo del naso e le transizioni di superficie.

Perché l'analisi di superficie è importante prima della fluidodinamica computazionale (CFD)

Prima di passare alla fluidodinamica computazionale (CFD), volevo rispondere a una semplice domanda: le superfici della carrozzeria erano davvero lisce come sembravano?

Durante lo studio dei contenuti formativi di Dassault Systèmes, mi sono reso conto che CATIA offre molto più di semplici potenti strumenti di modellazione di superfici. Include anche diversi strumenti di analisi che consentono di esaminare in dettaglio i modelli di riflessione, la continuità delle superfici e la curvatura.

Sebbene queste analisi non siano in grado di prevedere le prestazioni aerodinamiche di per sé, aiutano a identificare problemi geometrici che potrebbero crearne in seguito durante la preparazione della geometria, la generazione della mesh o la simulazione CFD stessa.

Per questo motivo, ho deciso di validare la carrozzeria utilizzando gli strumenti di analisi delle superfici di CATIAprima di importare il modello in SIMULIA. L'obiettivo era identificare tempestivamente le potenziali aree di debolezza e creare un modello più pulito e affidabile per la simulazione.

Analisi Zebra (isofote):

Verifica del flusso superficiale prima della CFD

Il primo strumento che ho utilizzato per valutare la carrozzeria è stato Zebra Analysis, noto anche come analisi delle isofote. Prima di preparare il modello per la CFD, volevo verificare se le superfici fossero effettivamente lisce, non solo visivamente, ma anche da un punto di vista geometrico.

L'analisi Zebra tratta il modello come una superficie riflettente, visualizzando strisce bianche e nere alternate sulla geometria. Se queste strisce scorrono fluidamente da una superficie all'altra, generalmente indicano una buona continuità. Al contrario, interruzioni improvvise, restringimenti o bruschi cambiamenti di direzione possono rivelare aree che meritano un'analisi più approfondita.

Anziché affidarmi alla visualizzazione ombreggiata standard, ho utilizzato l'analisi Zebra per esaminare il comportamento dei riflessi sulla carrozzeria. Mi sono concentrato sull'identificazione delle transizioni in cui il motivo a strisce cambiava in modo inaspettato, poiché queste aree potrebbero potenzialmente creare problemi durante la preparazione della geometria o la generazione della mesh.

Una caratteristica che ho particolarmente apprezzato è la flessibilità offerta CATIA . Il software consente di regolare la densità, lo spessore, la nitidezza, l'orientamento e la modalità di proiezione delle linee, facilitando l'ispezione di superfici complesse da diverse angolazioni. Osservare la stessa geometria da più prospettive spesso rivela imperfezioni difficili da individuare con una visualizzazione convenzionale.

Sebbene Zebra Analysis non fornisca dati aerodinamici, svolge un ruolo importante nella preparazione di un modello per la fluidodinamica computazionale (CFD). Superfici più pulite e continue generalmente portano a una geometria più robusta, a una mesh più uniforme e a meno problemi durante la simulazione.

Figura 3. Vista frontale dell'analisi Zebra che evidenzia il muso e le transizioni della carrozzeria inferiore.

Figura 4. Vista laterale che mostra la continuità delle strisce sulle superfici superiore, laterale e inferiore della carrozzeria.

Ciò che ho osservato

Nel complesso, i pannelli laterali più grandi mostravano un motivo a strisce uniforme, a indicare una buona continuità della superficie. Il muso, tuttavia, insieme a diverse zone di transizione tra la parte superiore, laterale e inferiore della carrozzeria, presentava cambiamenti più evidenti nelle linee di riflessione.

Non ogni interruzione indicava un problema di modellazione. Alcune modifiche erano previste perché riflettevano caratteristiche stilistiche intenzionali o decisioni di progettazione funzionale. Invece di trattare ogni irregolarità come un errore, ho utilizzato l'analisi Zebra come strumento di screening per identificare le aree che meritavano un'indagine più approfondita utilizzando gli strumenti di analisi di continuità e curvatura di CATIA.

Connect Checker: Verifica della continuità della superficie

Una volta completata l'ispezione visiva, volevo convalidare la geometria con dati misurabili. È qui che Connect Checker è diventato il passo successivo del flusso di lavoro.

A differenza di Zebra Analysis, che fornisce un'indicazione visiva della qualità della superficie, Connect Checker valuta la continuità effettiva tra superfici adiacenti. Può misurare la continuità posizionale (G0), la tangenza (G1) e la continuità di curvatura (G2 e G3), risultando uno strumento prezioso per identificare le incongruenze geometriche prima della CFD.

Per questa valutazione iniziale, mi sono concentrato principalmente sulla continuità G0. Il mio obiettivo era individuare eventuali lacune indesiderate che potessero creare problemi durante la generazione di un dominio fluido chiuso o la produzione di una mesh di alta qualità.

Tra le 80 connessioni di superficie incluse in questo studio, CATIA ha riportato una deviazione G0 massima di soli 0,001 mm, mentre la maggior parte dei contorni non presentava spazi misurabili alla precisione visualizzata. Ciò indicava che la geometria importata era generalmente ben connessa.

In questa fase non ho dato molta importanza ai valori complessivi G1, G2 o G3 perché il modello includeva diversi spigoli vivi intenzionali e transizioni di stile in cui non era prevista la continuità di tangenza o curvatura. Una valutazione più significativa avrebbe comportato l'isolamento dei soli contorni progettati per essere lisci e la valutazione della loro continuità in modo indipendente. Il Connect Checker ha confermato che la geometria era adatta alla fase successiva del flusso di lavoro, identificando al contempo le aree che avrebbero beneficiato di un'analisi più approfondita durante l'analisi della curvatura.

Figura 5. Connect Checker valuta la continuità G0 su 80 connessioni della carrozzeria.

Analisi della curvatura del porcospino: comprendere come cambia la curvatura

Dopo aver controllato le connessioni superficiali, ho voluto esaminare più da vicino come la curvatura della carrozzeria variava lungo il modello. A tale scopo, ho utilizzato Porcupine Curvature Analysis, uno strumento che fornisce una rappresentazione visiva della curvatura tramite una serie di punte, spesso definite " pettine di curvatura".

La lunghezza e la direzione di queste punte rendono più facile individuare improvvisi cambiamenti di curvatura, transizioni irregolari e potenziali punti di flesso che potrebbero non essere evidenti in una vista ombreggiata. Ciò rende l'analisi Porcupine particolarmente utile nella valutazione della qualità di superfici complesse a forma libera.

Per la mia prima valutazione, ho selezionato l'intera carrozzeria importata per ottenere un quadro generale del modello. Come previsto, il risultato è stato piuttosto denso. Poiché il pettine di curvatura veniva visualizzato simultaneamente lungo numerosi contorni di superficie, le aree intorno al muso e alla parte inferiore della carrozzeria risultavano affollate, rendendo più difficile l'interpretazione dettagliata.

Ciò nonostante, questa panoramica iniziale si è rivelata preziosa. Ha permesso di individuare rapidamente le aree che meritavano un'indagine più approfondita nella fase successiva del flusso di lavoro.

Figura 6. Analisi iniziale della curvatura a porcospino della geometria della carrozzeria.

Cosa ho imparato

Visualizzare il modello completo in una sola volta si è rivelato utile per identificare potenziali aree problematiche, ma non è stato l'approccio migliore per un'analisi dettagliata. L'elevato numero di diagrammi di curvatura spesso si sovrapponeva, rendendo difficile distinguere le effettive variazioni di curvatura dal disordine visivo.

Se dovessi ripetere questo studio, analizzerei sezioni più piccole individualmente, concentrandomi su specifici contorni o curve del piano di taglio. Ridurre la densità del pettine renderebbe inoltre molto più facile interpretare e confrontare le sottili variazioni di curvatura.

Sebbene l'analisi Porcupine non fornisca risultati aerodinamici, offre preziose informazioni sul comportamento geometrico di una superficie prima di passare alla fluidodinamica computazionale (CFD).

Analisi della curvatura superficiale: visualizzazione della curvatura su tutto il corpo

Completati i controlli di continuità e di curvatura dei bordi, il passo successivo è stato quello di esaminare come la curvatura fosse distribuita sull'intera carrozzeria.

A differenza dell'analisi Porcupine, che si concentra su curve e contorni, l'analisi della curvatura superficiale valuta l'intera superficie e visualizza la curvatura come una mappa a colori. Ciò rende molto più facile identificare le regioni in cui la curvatura cambia gradualmente rispetto alle aree con un comportamento geometrico più complesso.

Per questo studio, ho selezionato l' gaussiana a radice quadrata . Questa visualizzazione ha fornito una chiara panoramica della distribuzione complessiva della curvatura del corpo e mi ha permesso di confrontare diverse regioni del progetto in modo più efficace.

I pannelli laterali più grandi e le superfici superiori presentavano motivi cromatici ampi e uniformi, suggerendo transizioni di curvatura relativamente graduali. Intorno al muso, nella sezione anteriore inferiore e su diverse superfici di transizione più piccole, tuttavia, la distribuzione del colore diventava notevolmente più complessa.

È importante notare che queste variazioni non indicavano automaticamente una geometria scadente. Molte erano prevedibili a causa di caratteristiche di progettazione intenzionali, raggi di curvatura stretti o transizioni stilistiche nette. L'analisi, invece, ha contribuito a identificare le aree che meritavano un esame più approfondito prima della fluidodinamica computazionale (CFD).

Figura 7. Vista frontale dell'analisi della curvatura superficiale.

Figura 8. Vista isometrica che mostra la distribuzione della curvatura sulla carrozzeria.

Osservazione chiave

Uno dei risultati più interessanti è stata la netta differenza tra le parti più estese del corpo e la regione del naso. Mentre la maggior parte della carrozzeria presentava una curvatura relativamente uniforme, il naso mostrava una variabilità molto maggiore, a conferma delle osservazioni già fatte durante le analisi su zebre e istrici.

Sebbene non si trattasse di uno studio aerodinamico, mi ha dato maggiore sicurezza su dove concentrare la mia attenzione durante la fase CFD. Invece di considerare ogni variazione geometrica come un difetto, queste analisi mi hanno aiutato a dare priorità alle regioni che avevano maggiori probabilità di influenzare la simulazione.

Dall'analisi delle superfici alla SIMULIA CFD: perché il naso meritava maggiore attenzione

Dopo aver completato le analisi superficiali, una cosa è risultata chiara: il naso si è costantemente confermato come la zona più critica della carrozzeria.

Tutte le analisi – Zebra, Connect Checker, Porcupine e Surfaceacic Curvature – hanno evidenziato notevoli cambiamenti geometrici nella parte anteriore della vettura. Alcune di queste transizioni erano intenzionali e necessarie per ottenere la forma desiderata, ma la sola analisi della superficie non poteva determinare se avrebbero avuto un impatto positivo o negativo sulle prestazioni aerodinamiche.

È qui che SIMULIA CFD è diventato il passo successivo.

Il muso è la prima sezione principale della carrozzeria a interagire con il flusso d'aria in ingresso. Quando l'aria raggiunge questa zona, inizia a rallentare, ad accelerare attorno al veicolo e a stabilire la distribuzione di pressione che influenza il resto della carrozzeria. Anche modifiche geometriche relativamente piccole possono influenzare la pressione di ristagno, l'accelerazione del flusso, il recupero di pressione e, in alcuni casi, la probabilità di distacco del flusso.

Per una monoposto di Formula Student, questo aspetto diventa ancora più importante perché il muso non funziona in isolamento. Influisce direttamente sul flusso d'aria che raggiunge l'ala anteriore e i componenti aerodinamici a valle. Una superficie visivamente liscia non è necessariamente una superficie aerodinamicamente efficiente.

Le analisi di superficie mi hanno aiutato a capire dove concentrare l'attenzione. L'obiettivo successivo era determinare se tali caratteristiche geometriche influenzassero effettivamente il flusso d'aria, valutando la carrozzeria in SIMULIA CFD.

Figura 9 – Correzione della geometria importata prima della CFD.

Conclusione

Questo primo passo mi ha dimostrato che preparare un modello per la CFD implica molto più che creare un bel progetto CAD. L'utilizzo degli strumenti di analisi delle superfici di CATIAmi ha aiutato a comprendere meglio la geometria, a identificare le aree che necessitavano di attenzione e ad acquisire maggiore sicurezza prima di passare alla simulazione.

Nel prossimo articolo, proseguirò il flusso di lavoro importando questo modello in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer, dove tratterò la configurazione CFD, la generazione della mesh e condividerò i primi risultati aerodinamici.

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Abdulkadir Gunumdogdu

Ingegnere specializzato in dinamica dei veicoli, analisi strutturale, progettazione aerodinamica e CFD presso Konrul Racing.

Studente di Ingegneria Meccanica e membro del Konrul Racing Team, specializzato in progettazione di telai, CFD, analisi strutturale e dinamica dei veicoli. Esperienza con CATIA, 3DEXPERIENCEe ANSYS per lo sviluppo di Formula Student e droni. Appassionato di ingegneria nel motorsport e progettazione basata sulla simulazione.

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