Analisi Aeroelastica di una Wing Sail per catamarani da Coppa America classe AC72

Il comportamento aeroelastico è un aspetto fondamentale per una corretta valutazione sia dei carichi agenti sulla struttura che delle performance aerodinamiche di una wing sail.

In questo scenario la SOL144 del pacchetto aeroelastico di NASTRAN, offre la possibilità di ricavare risultati di elevata qualità senza la necessità di complessi accoppiamenti CFD/FEM che richiedono tipicamente elevate risorse di calcolo.

La SOL144 integra infatti in un unico strumento la soluzione sia del problema strutturale che di quello aerodinamico alla luce degli effetti legati all’interazione fluido-struttura che viene simulata mediante lo spline algorithm.

Nella presente attività la SOL144 è stata utilizzata per valutare gli effetti legati alla flessibilità della struttura sulle prestazioni aerodinamiche di una wing sail per catamarani da Coppa America classe AC72.

La struttura di una wing sail è in generale ottenuta mediante una complessa procedura di progettazione al fine di raggiungere il migliore compromesso fra peso contenuto, robustezza e un uso intelligente della flessibilità strutturale al fine d’incrementare le prestazioni aerodinamiche. Il controllo della rigidezza è un aspetto fondamentale in quanto agendo sullo svergolamento strutturale è possibile aumentare la trazione dell’ala a parità di momento ribaltante.

Tuttavia, questa filosofia di design introduce un’elevata sensibilità delle prestazioni della wing sail rispetto alla flessibilità della struttura; alla luce di ciò è necessaria un’accurata valutazione del comportamento aeroelastico dell’ala fin dalle prime fasi del progetto sia aerodinamico che strutturale.

Modello strutturale e aerodinamico della wing sail

Nel caso in esame l’architettura della wing sail è stata realizzata rispettando tutti requisiti fissati dal regolamento della 34th America’s Cup riguardanti gli yacht di classe AC72; in sintesi, l’ala è costituita da un elemento principale (main wing) e da un elemento secondario multi settore (flap) collegati reciprocamente da un complesso sistema di giunti e cavi allo scopo di controllare sia la curvatura che lo svergolamento dell’ala stessa. La struttura interna dei due elementi è molto simile e fa largo uso di materiali differenti quali il carbonio e il Kevlar per il wing mast e il flap wing box, l’Honeycomb per le centine e il Clysar (materiale plastico termo-restringete) per la superficie esterna dell’ala. Infine la wing sail è collegata alla piattaforma del catamarano mediante una cerniera sferica e da otto cavi in PBO con adeguato precarico più una scotta per il controllo manuale del suo assetto.

L’intero modello aerolastico (Figura 1) della wing sail, comprensivo sia del modello strutturale che di quello aerodinamico, è stato costruito mediante il software MSC Flightloads; la struttura interna è stata rappresentata mediante un modello FEM con mesh coarse, mentre l’aerodinamica attraverso il codice a pannelli di tipo Doublet Lattice Method (DLM) integrato in MSC NASTRAN, infine per rappresentare l’interazione fluido-struttura si è fatto uso del Thin Plate Spline algorithm.

La condizione operativa in esame è ottenuta impostando un adeguato angolo sia d’incidenza dell’ala che di deflessione del flap, in corrispondenza di una assegnata intensità del vento apparente per la condizione di massimo momento ribaltante. Il vento apparente viene rappresentato mediante un flusso asintotico medio, corretto da adeguati valori di normalwash, assegnati a ciascuno dei 1500 pannelli presenti nel modello aerodinamico, al fine di simulare l’effetto del gradiente verticale della velocità.

In questa condizione le pressioni aerodinamiche producono una deformazione dell’ala, apprezzabile dalla Figura 2, molto piccola se confrontata con le dimensioni della wing sail ma che da luogo ad effetti non trascurabili sulle prestazioni.

Deformata della wing sail (mm) indotta dai carichi aerodinamici

Dalla Figura 3 si nota che la flessibilità della struttura determina una ridistribuzione della portanza, avvicinando agli scafi il punto di pressione, a cui è associata una consistente riduzione d’intensità della portanza stessa e di quindi della trazione. Alla luce di ciò, l’apparente effetto negativo della diminuzione di trazione per effetti aeroelastici è ampiamente compensato da una maggior riduzione del momento ribaltante.

Prestazioni della wing sail alla luce degli effetti aeroelastici

Autori: F. Bocchia, D. Fanteria