Femap con NX Nastran è stato utilizzato per ottimizzare e controllare la struttura del primo aereo in grado di compiere il giro della terra utilizzando solo l’energia solare.
Femap con NX Nastran di Siemens PLM Software è stato utilizzato per ottimizzare e controllare la struttura del primo aereo, guidato dallo psichiatra e aeronauta Bertrand Piccard e dall’ingegnere e imprenditore André Borschberg, in grado di compiere il giro della terra utilizzando solo l’energia solare: Solar Impulse. Quando le moderne tecnologie sono mature per affrontare le sfide più ambiziose.
di Luigi Ortese
Solar Impulse (www.solarimpulse.com) è il progetto di un velivolo a energia solare guidato dallo psichiatra e aeronauta svizzero Bertrand Piccard, già co-pilota della prima mongolfiera che ha compiuto il giro del mondo senza alcuno scalo, e dall’ingegnere e imprenditore svizzero André Borschberg. L’obiettivo è quello di compiere il giro della terra con un aereo ad ala fissa che utilizza solo energia solare. Il giro completo, un viaggio di 35,000 km/21,000 miglia e 500 ore di volo, è iniziato a marzo 2015.
L’aereo che vola intorno alla terra è il secondo velivolo della compagnia. Porta la registrazione dei velivoli svizzeri HB-SIB ed è conosciuto come Solar Impulse 2. Il suo predecessore, HB-SIA, ha compiuto il suo primo volo nel 2009 e nel 2010 ha volato per l’intera durata del ciclo solare diurno, tra cui quasi nove ore di volo notturno, per un totale di 26 ore di volo.
Sulla base delle esperienze con l’HB-SIA, Solar Impulse 2 è stato progettato con una maggiore apertura alare di 71,9 m/236 piedi; leggermente inferiore a quella del più grande aereo passeggeri del mondo, l’Airbus A380. Solar Impulse 2 è stato dotato anche di un abitacolo tre volte più grande rispetto al primo, così da consentire voli transcontinentali e transoceanici di più giorni.
Uno degli aspetti più notevoli di Solar Impulse 2 è il fatto che, nonostante l’apertura alare così massiccia e la quantità di batterie richieste (633 kg), pesa poco più di un'automobile di dimensioni medie (2.300 kg). Ovviamente, ridurre il peso al minimo è stata una delle sfide progettuali più critiche. “L’aereo ha bisogno di molte batterie e le batterie sono pesanti”, spiega Geri Piller, Head of Structural Analysis di Solar Impulse. “Tuttavia l’aereo riceve solo una piccola quantità di energia dalle celle solari, quindi deve essere molto leggero”.
UNA SOLUZIONE FEA PER MOLTEPLICI TIPI DI ANALISI
Il team di analisi strutturale di Piller, che comprende Piller e altri quattro ingegneri, si è affidato a Femap™ con il software NX™ Nastran® di Siemens PLM Software come soluzione di analisi a elementi finiti (FEA) per la progettazione sia dell’HB-SIA che dell’HB-SIB. L’azienda ha iniziato a utilizzare Femap con NX Nastran nel 2007, e ancora oggi impiega il software per affinare Solar Impulse 2 per il suo viaggio intorno al mondo.
Piller ha scelto Femap con NX Nastran per il progetto Solar Impulse perché è la soluzione utilizzata dalla società di ingegneria svizzera e si è affidato ad AeroFEM, partner di Siemens PLM Software (www.plm.automation.siemens.com), per effettuare analisi speciali come le dinamiche aeroelastiche e rotorie. Femap con NX Nastran supporta tutti i diversi tipi di analisi (forza, instabilità, grande deformazione…) necessari per il progetto Solar Impulse, e la scelta di questa soluzione consente ai due gruppi di collaborare con soluzione di continuità. “Gli ingegneri AeroFEM sono parte della mia squadra”, dice Piller. “La nostra collaborazione è davvero grande”.
L’impiego di Femap ha contribuito a una significativa riduzione di peso nella struttura alare del nuovo aereo a energia solare sviluppato da Solar Impulse.
SETTARE LE ANALISI E INTERPRETARE I RISULTATI
Femap è compatibile con la geometria creata dal team web di Solar Impulse con il software CATIA®, in formato STEP o IGES. La geometria diventa la base per modelli di elementi finiti (FE). Femap ha anche una propria funzionalità di modellazione che Piller trova facile da utilizzare, in particolare per i materiali compositi che costituiscono una grande porzione dell’aereo. “La definizione degli strati è davvero semplice”, dichiara Piller. “Grazie a Femap, siamo stati in grado di sviluppare questo aspetto molto rapidamente”.
In qualità di esempio di come gli analisti usino sia la geometria importata che gli strumenti di modellazione di Femap, Piller descrive un lavoro compiuto sulla struttura dell’ala dell’aereo. Gli analisti hanno inizialmente utilizzato la geometria delle superfici esterne dell’ala (generati con CATIA) per creare un semplice modello di analisi al fine di esaminare i percorsi di carico. In un secondo momento, con Femap, hanno aggiunto elementi solidi 3D che rappresentano la carta aramidica a nido d'ape Kevlar® per analisi più dettagliate, come l’instabilità locale e globale.
I modelli FE per i componenti di metallo dell’aereo variano da 50.000 fino a 500.000 elementi. Il modello della struttura alare principale contiene due milioni di elementi. Normalmente gli analisti valutano da 10 a 20 casi di carico, ma in caso di resistenza se ne valutano fino a 160.
Il team di Piller sfrutta Femap API (Application Programming Interface) per scrivere script che automatizzano alcuni dei lavori di analisi. Uno script molto utile applica i criteri di resistenza programmati della società per i compositi, contribuendo a automatizzare la verifica dei laminati.
Un altro script gestisce le analisi delle parti composite e automaticamente valuta i risultati in base allo strato con le più alte sollecitazioni e mostra velocemente se l’avaria è nella struttura laminata o in quella a strati. “Script come questi fanno risparmiare tempo e, altrettanto importante, contribuiscono a garantire la precisione delle analisi”, dice Piller.
CABINA DI PILOTAGGIO PIÙ GRANDE E PIÙ LEGGERA
Un esempio concreto del valore portato dall’utilizzo di Femap con NX Nastran su questo progetto è la cabina di pilotaggio dell’aereo, dove la soluzione FEA ha giocato un ruolo importante nel ridurre al minimo il peso. La cabina di guida monoposto dell’aereo che vola in tutto il mondo è molto piccola (3,8 metri cubi/134 piedi cubi), ma in realtà è tre volte più grande della cabina di guida del primo aereo Solar Impulse. (il nuovo abitacolo è tanto spazioso che il sito web Impulse sostiene scherzosamente che la società “ha concesso al pilota un upgrade dall’economy alla business class”).
Anche se il nuovo posto di guida è tre volte più grande, risulta però due volte più leggero rispetto all’originale (60 kg/132 pound per la nuova cabina di guida contro 42 kg/93 pound per l’originale).
Femap ha contribuito a una significativa riduzione di peso anche nella struttura alare del nuovo aereo. L’ala è costituita da un nucleo a nido d’ape Kevlar coperto con un materiale in fibra di carbonio avanzato. Poiché il nuovo aereo vola più veloce rispetto al primo, le ali devono sopportare carichi maggiori. Gli analisti hanno utilizzato Femap per ottimizzare la quantità degli strati in fibra di carbonio in modo che potessero soddisfare le condizioni di carico necessarie con la minor quantità di peso aggiunto. Sono stati così in grado di passare da un materiale con un peso di 100 grammi per metro quadrato a un peso di 25 grammi per metro quadrato, apportando così una significativa riduzione di peso. Analogamente, la gondola motore del secondo aereo deve portare un carico pesante, ma l’aumento di peso è stato ridotto al minimo, in parte cambiando un sistema strutturato con una carenatura con una struttura a strati e, in parte, utilizzando FEA per ottimizzare componenti come i rivestimenti e le protezioni Spar.
Utilizzando Femap su questo progetto, Piller e i suoi colleghi sono stati in grado di determinare rapidamente il modo migliore per ridurre al minimo il peso dell’aereo pur continuando a soddisfare i rigori di un’avventura intorno al mondo. “Grazie a Femap abbiamo velocemente individuato su cosa dovevamo lavorare e cosa avremmo potuto ottimizzare”, afferma Piller.
Utilizzando Femap su questo progetto, Geri Piller e i suoi colleghi sono stati in grado di determinare rapidamente il modo migliore per ridurre al minimo il peso complessivo dell’aereo.
