Alison Shanks, ai Commonweath Games del 2010, corse sulla sua Avanti per vincere l’oro nella gara 3.000 m femminile. (Foto di Paul Sloper).
In uno sport in cui ogni frazione di secondo ha la sua importanza, le biciclette Chrono Evo II e Pista Evo II di Avanti Bikes sono le “macchine” da competizione più veloci che esistano. Entrambe sono state sviluppate con il software per la fluidodinamica di ANSYS. Il progetto ha recentemente ottenuto i massimi riconoscimenti al New Zealand Best Design Awards ed è stato premiato in occasione della 2012 International Red Dot Design Award.
di David Higgins Product Design Engineer, Avanti Bikes e Larisa Marsh Director, Dynamic Sports Engineering (DSE), Auckland, New Zealand. Versione Italiana a cura di Alessandro Plantamura, ANSYS Italia.
Ai Commonweath Games del 2010, Alison Shanks gareggiò sulla sua Avanti per vincere l’oro nella competizione 3.000 m femminile. Cameron Brown in sella alla sua Avanti conquistò la vittoria alla Ironman New Zeland Triathlon del 2011. Il progetto ha recentemente ottenuto i massimi riconoscimenti al New Zealand Best Design Awards ed è stato premiato in occasione della 2012 International Red Dot Design Award. Per collaborare allo sviluppo delle biciclette, gli ingegneri della Dynamics Sports Engineering (DSE) si sono avvalsi del software di analisi computazionale della fluidodinamica (CFD) ANSYS CFD-Flo: in una prima fase, per ottimizzare l’aerodinamica dei singoli componenti, come la canna frontale, la forcella, il freno posteriore e le giunzioni della seduta; in una seconda fase, è stata portata a termine una simulazione di sistema, combinando i componenti in una struttura completa e testando la performance aerodinamica dell’insieme ad angoli di incisione del vento, varianti tra -20 e +20 gradi. Gli ingegneri hanno iterato uno a uno diversi design fino ad arrivare a una configurazione ottimizzata che assicurasse una riduzione del 20% della resistenza rispetto ai modelli precedenti. Una riduzione della resistenza di questa entità può far guadagnare a un corridore fino a 1 minuto di tempo su una competizione di un’ora.
Il modello Pista Evo II di Avanti Bikes.
UNA STORIA DI SUCCESSI
Avanti ha costruito la sua prima bicicletta nel 1985 e oggi mette a disposizione oltre 110 modelli, commercializzati principalmente in Nuova Zelanda e Australia. L'azienda contattò DSE, società di consulenza ingegneristica di piccole dimensioni che, all’epoca, aveva messo a disposizione due ingegneri per supportare la progettazione della nuova bicicletta da un punto di vista dell’aerodinamica. David Higgins, ingegnere e fondatore di DSE, da allora lavora in Avanti.
Gli ingegneri di DSE si sono basati su CFD-Flo, strumento specifico per progettisti e basato sulla potenza di ANSYS CFX. Il software ha fornito accesso diretto al design iniziale della bicicletta realizzato in Pro/ENGINEER®. Grazie a un wizard guidato, sono giunti alla fase di setup della fisica, completando la definizione delle condizioni al contorno e la verifica sulla presenza di tutte le informazioni necessarie. CFD-Flo è basato su tecnologia all’avanguardia che permette di ottenere tempi di esecuzione veloci e rapide modifiche al codice per integrare in maniera efficiente la CFD all’interno del processo di design grazie all’ambiente ANSYS Workbench.
DSE ha iniziato a lavorare sulle proprietà aerodinamiche dei componenti nelle zone specifiche in cui incontrano il flusso d’aria. La Union Cycliste Internationale (UCI), ente regolatore sulle gare per biciclette, specifica che le canne del telaio devono essere lunghe non più di tre volte la loro larghezza, con una profondità massima di 80 mm e una larghezza massima di 24 mm. Il progetto del telaio consiste in due triangoli collegati, uno alla parte frontale della bicicletta e l’altro a quella posteriore. La principale differenza tra la versione della bicicletta per gare trial/triathlon a tempo e la versione da circuito risiede nel fatto che la prima è progettata per condizioni di vento tipiche da esterno, mentre la seconda per condizioni di assenza di vento sperimentate in ambienti chiusi.
DALLA FORCELLA E GIUNZIONE FRONTALE...
Per creare ogni lama della forcella, l’azienda ha dapprima valutato un design proprietario della forcella, costituito da sessioni appaiate di superfici aerodinamiche; gli ingegneri hanno stabilito che questo non rappresentava una soluzione ottimale per la bicicletta. Il design proprietario allontana il flusso d’aria dalla ruota. Infatti, biciclette da circuito come la Avanti Pista Evo II usano ruote a disco, per cui è opportuno attaccare il flusso alla parte posteriore della ruota (in modo da far avvolgere la ruota dal flusso). Gli specialisti hanno quindi deciso di utilizzare una forcella convenzionale e hanno valutato differenti profondità e larghezze in funzione di differenti angoli di flussi d’aria, avvicinandosi all’angolo ottimizzato di circa +10 gradi. Basandosi su questi risultati, hanno sviluppato una serie di nuovi modelli di forcella. Risultato finale: la compagnia ha consegnato un design che forniva una forza di resistenza isolata di 27 grammi di forza (gF), confrontati con i 36 gF della soluzione proprietaria (che fino ad allora era stata considerata lo stato dell'arte).
I progettisti si sono quindi concentrati su altri componenti del telaio, iniziando dal collegamento frontale, dove la canna frontale si attacca alla canna superiore proprio al di sotto del manubrio. Nel design della generazione precedente, il freno era attaccato alla parte posteriore della forcella, i manubri al di sopra della canna superiore, e quest’ultima inclinata attraverso la parte frontale della bicicletta. Basandosi sull’analisi dei risultati, gli ingegneri hanno sviluppato ulteriormente il design in modo tale che ora i manubri si allineano orizzontalmente con la canna superiore, e il freno è stato posto internamente alla forcella. Ospitare il freno all’interno della forcella, che era stata allineata al flusso, ha ridotto gli effetti di turbolenza dovuti al freno. Inoltre, sia la bicicletta per competizioni trial/triathlon a tempo sia quella da circuito sono molto più profonde, procedendo dalla parte frontale alla posteriore. Il nuovo design permette di gestire meglio il vento che viene dal lato della bicicletta, convertendolo in forza laterale piuttosto che resistenza.
La bicicletta Chrono Evo II di Avanti Bikes.
...ALLA GIUNZIONE POSTERIORE
Per ultimo, gli ingegneri si sono concentrati sulle giunzioni posteriori delle biciclette, dove si uniscono la canna della seduta, la canna superiore e la staffa della seduta. Le biciclette della generazione precedente avevano una parte del telaio relativamente ampia associata al freno posteriore, posizionato vicino alla parte superiore della staffa della seduta. L’analisi CFD ha dimostrato una prestazione aerodinamica relativamente povera per quest’area, per cui fu riprogettata completamente, rimodellando la canna della seduta per accoppiarla al profilo della ruota posteriore. Il gruppo provò nove differenti modi per collegare la staffa della seduta alla canna della seduta, fino ad ottenere un profilo simmetrico di tipo National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). I tecnici inoltre hanno riprogettato l’area del freno posteriore, dove i pedali si collegano al telaio. Inserire il freno posteriore dietro il supporto posteriore e sotto la catena ha ridotto in maniera consistente la resistenza rispetto alla posizione convenzionale delle biciclette da strada, in cima alla zona di seduta.
A completare il lavoro sono stati realizzati percorsi completamente interni dei fili, rendendo entrambe le versioni delle Evo II le prime biciclette che hanno ogni cavo integrato nel telaio. I cavi si sviluppano internamente, partendo dalla leva del freno, fino al deragliatore e ai freni. La soluzione con cavi interni riduce ulteriormente la resistenza e conferisce un aspetto estetico più apprezzabile.
LA PROGETTAZIONE DELLA STRUTTURA INTERA
Una volta verificati gli ottimi risultati ottenuti sui singoli elementi della bicicletta, gli ingegneri hanno combinato assieme i componenti e analizzato la struttura intera. Ci sono volute all’incirca 8 ore per simulare ogni modello di bicicletta completa. Già i primi risultati erano buoni, ma il team ha fatto ulteriori modifiche con alcune sistemazioni di dettaglio aggiuntive a livello di sistema. Sono quindi stati realizzati i primi prototipi e sono stati testati in galleria del vento a differenti angoli di incisione. I test hanno confermato che i nuovi progetti della bicicletta sviluppati, grazie all’uso del software ANSYS, apportavano una riduzione del 20% della resistenza rispetto ai design della generazione precedente.
Migliorie sulla resistenza alla forcella per diversi angoli di incidenza del vento.
L’ENTUSIASMO DELLA STAMPA
Le nuove biciclette Evo II di Avanti hanno registrato recensioni molto positive dalla stampa di settore. “Biking Australia”, per esempio, ha scritto: “Il risultato finale è una bicicletta dalle linee perfette che è un ulteriore passo avanti rispetto ai modelli precedenti di Avanti, che ha fatto uso della tecnologia più innovativa per portare sul mercato una bicicletta a cui non manca nulla. Il telaio in fibra di carbonio è il risultato di un processo di design completo. Il concept è stato portato da bozze a realtà attraverso una serie di passaggi che, per quanto apparentemente insignificanti, possono essere cruciali per il comportamento finale delle biciclette sia in risposta ai comandi dei ciclisti sia alle condizioni ambientali”.
I giudici della categoria di prodotto dell'evento New Zeland Best Design Awards hanno descritto la bicicletta Avanti che si è aggiudicata il premio come: “Un prodotto di eccellenza che rileva i più alti standard di manifattura, tecnologia e design neozelandese. Questa macchina da competizione sorprendentemente leggera dimostra attenzione meticolosa ai dettagli. Il design rappresenta la Nuova Zelanda in uno dei più diffusi ed eccitanti sport e attività ricreative al mondo”.
I test in galleria del vento si sono correlati in maniera eccellente alle predizioni ottenute dalla simulazione.