Paper published on "Via Mare By Sea" magazine on January 2006

1. zione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione D
Un albero non strallato A free standing
a profilo alare per una wing mast
barca carrellabile for a trailer cat-boat
Floriano Bonfigli
I materiali compositi avanza- dell’Imperial College di [Fig. 1] - L’America’s Cup è probabilmente il campo d’adde-
ti sono ampiamente utilizzati Londra. stramento principale per i materiali compositi avanzati appli-
nel mondo della nautica solo Per meglio chiarire, un al- cati alla nautica / The America’s Cup, probably the most famous
training camp for the advanced composite materials applied to
ai più alti livelli di competi- bero non strallato a profilo the sailing world
zione e lusso [fig. 1]. alare è un albero non sup-
Probabilmente ciò è dovuto portato da alcun cavo e libe-
all’alto costo delle materie ro di ruotare.
prime e dei processi manifat- Prima di tutto, un albero del
turieri coinvolti. genere è più semplice da
Tuttavia, oggigiorno, c’è fissare sullo scafo. Senza ca-
un grosso interesse nell’e- vi, crocette e relativi acces-
stenderne l’utilizzo. Si cre- sori, verificarne periodica-
de che soltanto un processo mente la stabilità è anche
di progettazione razionale più facile e veloce. In so-
sia l’unica via percorribile. stanza, questo è finalmente
A tal fine, un’accurata co- praticabile.
noscenza di tutta la que- Ne segue che tael struttura è
stione materiali compositi di per sè più sicura per i na-
è considerata un vantaggio. viganti [fig. 3]. Inoltre, se-
Questo è il motivo per cui guendo la direzione del ven-
il progetto di un albero non to in arrivo, la sua sezione Advanced composite mate- Imperial College of London.
strallato a profilo alare per aerodinamica rende la vela rials tend to be widely used To expand, a free standing
un’imbarcazione da dipor- maestra molto più efficien- in the sailing world only at wing mast is an un-stayed
to carrellabile [fig. 2] è te. È stato riportato che i the most competitive or lu- and free to rotate mast. First
stato riconosciuto come un miglioramenti possono ar- xury level; see [fig. 1]. This of all, such a mast is simpler
ideale, innovativo e stimo- rivare fino al 30%. Ecco che is probably due to the pri- to secure on the hull. Without
lante argomento per una l’albero non apparirà più al cey raw materials as well as rods, spreaders and relative
tesi dell’unico Master of timoniere come una sempli- to the manufacturing pro- fittings verifying periodically
Science in materiali com- ce ingombrante asta, ma, al cesses needed. its firmness is easier and
positi, tenuto presso il Di- contrario, una forza propul- However, nowadays, there is faster. Basically, it is now
partimento d’Aeronautica siva in più. a lot of effort to extend their possible. Therefore, this type
application to a lower de- of mast is inherently safer for
[Fig. 2] - Rendering della barca per cui l’albero è stato pensa- gree. It is believed that only the crew; see [fig. 3].
to / The concept boat for which the mast has been thought a rational design process is In addition, by being able to
the right way to track. In follow the direction of the
order to do so, a sound coming airflow, its aerody-
understanding of the whole namic cross-section makes
composite matter is conside- the mainsail much more
red beneficial. This is why efficient. It has been repor-
the design of a composite ted that improvements are
free standing wing mast for a up to 30%.
recreational cat-boat, see Actually, a wing mast which
[fig. 1], has been reckoned cannot rotate is basically
as an ideal, innovative and useless from this point of
challenging topic for the view. The mast will no lon-
Master thesis of the unique ger appear to the helmsman
MSc in Composite Materials as an unfriendly column but
held at the Aeronautics De- as an additional propelling
partment of the esteemed force instead.
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2. ne Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Des
Ogni architetto navale do- trovate di solito in questo [Fig. 3] - Con un albero fissato in chiglia, ci sono solo due punti
vrebbe guardare di buon oc- tipo di strutture. abbastanza accessibili da ispezionare / With a keel stepped mast,
chio agli alberi non strallati. In questa prospettiva, prima there are just two quite accessible points to check
Essi consentono molti più di tutto dovrebbero essere
spazi liberi sul ponte e quin- prese in considerazione le
di nuove soluzioni per quan- fibre di carbonio ad alto
to riguarda la distribuzione modulo.
degli stessi. In questa fase del progetto,
In definitiva, le persone a tuttavia, data l’ampia scel-
bordo potrebbero avere mol- ta che i produttori di fibre
to più spazio a loro disposi- possono fornire non è stato
zione. In tal contesto, i mate- possibile definire l’effetti-
riali compositi avanzati sono va entità del modulo neces-
considerati come la scelta sario. Per la sezione tra-
più ovvia, considerando non sversale dell’albero, grazie
solo la leggerezza e le pro- all’applicazione dei principi
prietà meccaniche richieste base dell’aerodinamica, è
dalla struttura albero, ma stata scoperta una forma
anche per ragioni di prestigio piuttosto originale. Every naval architect should created the required tempe-
ed immagine che ricadrebbe- Per valutare la più perfor- look with favour upon free rature locally while a con-
ro sul proprietario. mante, è stato adottato un standing masts. They allow ventional vacuum process
Come già anticipato, tutta- programma per l’analisi di much more room on decks debulked the laminates.
via, la progettazione con i profili aerodinamici bidi- and therefore innovative Coming back to the free
materiali compositi non è mensionali subsonici, ba- solutions in terms of lay-out. standing wing mast, the
così scontata. sato sul codice di calcolo Basically, people on board continuous reinforcement
Infatti, il lavoro progettuale X-Foil. could have much more spa- was chosen by taking into
è iniziato con un’indagine Quindi, confrontando oltre ce to enjoy. In this context, account the large deforma-
approfondita dei più idonei 170 profili simmetrici a advanced composite mate- tions typically encountered
processi di produzione e sorpresa, il risultato emer- rials are seen as an obvious in such structures.
quindi materie prime da so non è stato una sezione choice, regarding not only If so, high modulus carbon
adottare. appartenente alla ben nota the lightness and the mecha- fibres should firstly be con-
È stato trovato che ciò dipen- classificazione NACA. nical properties requested sidered. At this stage of the
de principalmente dalla resi- In aggiunta a ciò, è stato by the structure but also project, given the wide
na. In verità quindi, l’esoso proposto un sistema per concerning the image calcu- range of products provided
metodo dell’autoclave può ottimizzare la qualità del lation for the owner of the by fibre manufacturers, sta-
essere evitato. flusso uscente dall’albero cat-boat. ting how much high the
Al contrario, il sistema più ed entrante sulla vela. However, as mentioned abo- modulus should be was not
economico del sacco a vuoto Avendo a disposizione la se- ve, designing components possible.
seguito da un processo di po- zione trasversale, a questo made of composite materials For the mast cross-section,
limerizzazione a bassa tem- punto l’albero potrebbe esse- is not very straightforward. quite an innovative form
peratura sembra possibile, re modellato prima di tutto In fact, the project started was discovered by applying
anche in considerazione del- tenendo conto all’analisi with a severe investigation of the Aerodynamics princi-
le proprietà meccaniche ri- strutturale classica, per mate- the most suitable production ples. To find out the most
chieste dal laminato. riali omogenei e isotropi. process and hence raw mate- performing, a program for
A conferma di quanto det- Si è capito che anche a que- rials to adopt. the analysis of subsonic iso-
to, vale la pena di ricorda- sto livello d’approssimazio- Particularly, the resin system lated airfoils based on the
re il forse noto Mirabella ne, i calcoli potrebbero es- was found to depend on it. X-Foil code had been run.
V. Questo mega yacht ha sere meglio gestiti con un Actually, the very expensive Afterwards, by comparing
un albero convenzionale foglio di calcolo Excel. È autoclave method could be over 170 symmetrical sha-
alto 90 m, costituito da 5 stato realizzato, infatti, un avoided. On the other hand, pes, quite surprisingly, the
parti differenti. foglio di lavoro ripartito in the cheaper vacuum bagging result was not one of the
Per produrre ciascuna di cinque sezioni. followed by a low temperatu- well known NACA sections.
esse, delle coperte riscal- Una serie di specifiche deve re curing method seems sui- In addition, a system for
danti incorporate nello essere dichiarata, tra cui la table, even in terms of the optimizing the quality of the
stampo stesso crearono le forza del vento, la geome- mechanical properties re- flow leaving the mast and
condizioni termiche richie- tria dell’albero e della vela, quested for the laminate. encountering the sail was
ste localmente, mentre il il modulo della fibra, la In support of that, it is proposed.
tipico processo del sacco densità di tutto il composito worth mentioning just the By knowing the cross-sec-
sottovuoto si occupò di e il numero di strati richiesti well known Mirabella V tion geometry, at this stage,
comprimere i laminati. per ottenere un laminato project. This mega yacht the mast could firstly be
Ritornando quindi all’albe- quasi-isotropo. has a 90m long conventio- modelled according to the
ro non strallato a profilo Di conseguenza, il foglio nal mast composed by 5 dif- classical structural analysis
alare, la fibra rinforzante è può suggerire graficamente ferent parts. for homogeneous and iso-
stata scelta tenendo conto la sezione trasversale più For each of them, heater tropic materials. It has been
delle ampie deformazioni piccola e il numero minimo blankets built into the mould found that even at this very
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3. zione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione D
di stratificazioni. Proseguendo, in primo luo- [Fig. 5] - Tipico esempio di risultato dato dal foglio di lavoro Excel.
Quindi mostra l’albero più go, è stato studiato un model- Lo spessore del laminato, in mm, e il peso specifico dell’albero, in
leggero in grado di sopporta- lo d’interazione albero-vela km/m, sono forniti in funzione della lunghezza della corda della
re le condizioni di carico probabilmente più fedele alle sezione a profilo alare dell’albero. Il grafico fa riferimento ad una
pressione del vento distribuita in modo uniforme sull’albero piut-
modellate in base ad un condizioni operative reali, tosto che agente sulle vele / The typical output provided by the Excel
approccio classico. per poi confrontarlo con il workbook. Laminate thickness, in mm, and specific weight of the
Tale approccio fa riferimento metodo classico sopra men- mast, in Kg/m, can be given with respect to the chord length of the
ad una trave incastrata a zionato. mast airfoil cross-section. The graph refers to a uniformly distributed
sbalzo. Il carico è dato dalla Nella realtà, infatti, i carichi wind pressure acting on the mast rather than on the sail
pressione esercitata dal vento sono trasferiti dalla vela
sulla vela. Finora, tuttavia, all’albero tramite il binario
questo è stato distribuito dove essa alloggia.
uniformemente ed applicato Inoltre, le vele hanno com-
lateralmente per tutto l’albe- portamenti membranali, e
ro [fig. 4]. non sono in grado di soste-
Tutto ciò è stato ritenuto un nere né momenti flettenti
buon punto di partenza per né carichi di compressione.
lo studio ed ingegnerizza- È stata adottata quindi una
zione finale mediante l’ana- soluzione innovativa per
lisi FEM. Il supporto di un l’azione reciproca albero-
gruppo già coinvolto in vela, tenendo conto di que-
questo tipo di simulazioni è sti due punti fondamentali.
stato considerato essenziale Questa può mostrare nuove
per svolgere in modo pro- caratteristiche comporta-
fessionale questa parte del mentali dell’albero in pre-
progetto. cedenza nascoste dal vec-
Dopo una ricerca nell’am- chio metodo. Ciò dovrebbe
bito dell’industria europea indurre a prendere decisioni
dei materiali compositi, progettuali più consapevoli approximate level, calcula- sionally this part of the pro-
ATR Group (Italia) è stato in futuro. Un esempio di que- tions could be better handled ject. Then, after some inve-
quindi ritenuto un partner sti nuovi aspetti è mostrato by an Excel worksheet. stigation in the European
sia competente che affida- in [fig. 5]. Actually, a 5 step workbook composite industry, ATR
bile. Si è rivelato poi ancor Di seguito, sul primo lami- was realized. A list of condi- Group was seen as a compe-
più prezioso fornendo quel nato dato dal foglio di lavo- tions such as wind force, tent and reliable partner
bagaglio di conoscenze le- ro Excel è stata svolta una geometry of the mast and being also very precious by
gate al mercato dei compo- rigorosa ottimizzazione del sail, modulus of the fibre, providing that business awa-
siti, oggi indispensabile in peso, in conformità a con- density of whole composite, reness needed in every
tutti questi tipi di progetti, dizioni di progetto riguar- number of plies needed to project dealing with compo-
anche a livello accademico danti il minimo fattore di obtain a quasi-isotropic lay- sites, even at an academic
oggigiorno. sicurezza e la massima up must be specified. level. In particular, the ATR
Cogliamo qui l’occasione freccia laterale. Il principa- Then, the workbook can sug- Engineering division must be
per ringraziare la divisione le risultato di questa proce- gest graphically the smallest acknowledged.
ATR Engineering. dura è stato una riduzione cross-section and the minimum To go on, firstly an alternati-
number of lay-up repeats, ve and probably closer to the
[Fig. 4] - Oltre alla tipica deviazione laterale, questo modello può hence the lightest mast, capa- reality mast-sail interaction
rivelare gli effetti dovuti ad un carico che è anche di torsione. Si ble of standing the loading model was studied and com-
osserva che essi si concentrano sul bordo d’uscita del profilo alare conditions modelled according pared with the above mentio-
/ In addition to the typical lateral deflection, this model can unveil the to the classical approach. ned way. Actually, loads are
effects due to a load having a torsional component too. It can be It says that typical modelling given to the mast by the sail
shown that they are concentrated on the trailing edge of the “wing”
regards to a cantilever beam. through the track. In addition,
The load is given by the pres- sails act as a membrane
sure of the wind blowing on which cannot support ben-
the sail. So far, however, it ding moments nor compressi-
has been thought as uni- ve loads. Therefore, an inno-
formly distributed and late- vative solution for the mast-
rally applied along the whole sail reciprocal action consi-
spar; see [fig. 4]. dering these two basic points
This was believed to give a was adopted. It can show new
good starting point for the features related to the mast
final engineering studying behaviour, previously hidden
via FEM analysis. The sup- by the old method. This
port of an experienced team should lead to more con-
already involved in such si- scious decisions. An example
mulations was considered of these new distinguishing
essential to carry out profes- aspects is provided in [fig. 5].
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4. ne Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Design Progettazione Des
del peso del 40%. sere più leggero e più rigido. Subsequently, a rigorous woven fabrics could replace
Di conseguenza, il nuovo Per riassumere, il processo weight optimization process 90° UD plies without badly
modello d’interazione albe- di progettazione di un albe- was carried out on the very affecting the structure. Ac-
ro-vela sembra rendere ro non strallato con profilo first laminate given by the tually, the mast seems to
possibile la produzione di alare è stato studiato. Excel workbook. This was become lighter and stiffer.
pezzi più leggeri. La tecnica rigorosa suggeri- done under a set of design To summarize, the design pro-
L’albero non strallato a ta ha prodotto una serie di conditions concerning the cess of a free standing wing
profilo alare sembra ora soluzioni, ed alcune di que- minimum safety factor and mast has been investigated.
ripagare in termini di peso, ste sembrano essere innova- the maximum lateral displa- The proposed rigorous ap-
se si pensa ad un albero tive, come il profilo aerodi- cement. The main result of proach led to a series of solu-
convenzionale con tutti i namico della sezione ed il this procedure was a 40% tions. Some of them appear to
suoi necessari accessori, modello FEM. reduction in weight. If so, the be innovative, such as the
quali cavi e crocette. Grazie a questo nuovo ap- new mast-sail interaction aerodynamic cross-section and
Ci sono in ogni caso altri proccio, sembra possibile co- model seems to allow lighter the mast-sail interaction FEM
aspetti che probabilmente struire prodotti più leggeri. products. Moreover, the free model. With the new approach
meritano un commento. Visto che il progetto ha già standing wing mast tends it is likely that lighter products
Per quanto riguarda questo stimolato alcuni interessi now to pay-off with respect are possible. Since the project
modello, modificare la la- economici, il passo succes- to the weight of a stayed has already stimulated some
minazione secondo quattro sivo dovrebbe essere la mast and its absolutely ne- business interests, a further
zone consente il maggior realizzazione di un prototi- cessary fittings, such as rods basic step should be the reali-
risparmio di peso. po che convalidi il proces- and spreaders. zation of a prototype in order
I laminati anti-simmetrici so produttivo e la resina However, a few other aspects to validate the manufacturing
tendono ad essere più effi- adottata, eseguendo analisi are probably worth pointing process and the pertinent resin
caci di quelli simmetrici, in non-distruttive. out. As far as this model is system by non-destructive te-
certe aree. Inoltre, l’albero dovrebbe su- concerned, changing the lay- chniques.
Infine, i tessuti pre-impregna- bire le deformazioni previste up according to four zones In addition, the mast should
ti possono sostituire gli unidi- dal modello FEM ed essere gives the highest material undergo the predicted defor-
rezionali pre-impregnati di- ancora analizzato nello stesso saving. Anti-symmetric lami- mations and be examined
sposti a 90° senza influire ne- modo, nella speranza di con- nates tend to work better again in the same way to hope-
gativamente sulla struttura. Al fermare la bontà di tutto il than the symmetric ones in fully confirm the goodness of
contrario, l’albero sembra es- metodo progettuale proposto. particular areas. Finally, the overall design method.
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