Paper published in "Via Mare By Sea" magazine on March 2006

1. ti Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
Introdurre i materiali Introducing the advanced
compositi avanzati nella composite materials in the
nautica da diporto recreational boat sector
Floriano Bonfigli
Introduzione di un’imbarcazione. Questi de- Introduzione These should be as lighter as
vono essere i più leggeri pos- possible and easy to con-
I compositi avanzati, spesso sibili e facili da vincolare al- The use of advanced compo- straint to the underlying
identificati con il limitativo le sottostanti strutture por- site materials, which are structure, so as to minimize
termine carbonio e delle re- tanti, in modo da minimizza- often referred only to the the assembling time.
lative non meno importanti re i tempi d’allestimento. term carbon, as well as the Nevertheless, they should
tecnologie, sono utilizzati Nondimeno, devono garanti- use of the related and not guarantee such a stiffness
nella nautica quasi esclusiva- re rigidezze tali da evitare in less important technologies, rate to avoid, while sailing,
mente per le applicazioni più navigazione fastidiose defor- is common in the nautical unwanted strains, as well
estreme. mazioni, vibrazioni e rumori world almost exclusively for as the related vibrations
Invece, si vuole qui dimostra- ad esse associati. Infine, dal the extreme applications. and noises. Finally, from
re che l’uso del più nobile tra punto di vista estetico, devo- On the contrary, this article the esthetical point of view,
i materiali compositi risulta no essere il meno invasivi may prove that the use of they should interfere the
possibile e conveniente anche possibili, seguendo fedel- noblest composite materials least possible, strictly adju-
per il mercato più esteso del mente le linee di stile che il is actually possible and pro- sting themselves to the style
diporto. È il caso di un tetto designer ha pensato per loro. fitable even on the more designed for them.
rigido che ATR Group ha svi- Il materiale composito avan- extended recreational boat The advanced composite ma-
luppato su idea e progetto di zato fornisce forse il miglior market. terial, probably stands for
Baia, il noto cantiere che si compromesso. Certamente, It is the case of a hard top the best compromise.
affaccia sul Golfo di Napoli e non potrà essere più leggero which ATR group has deve- Obviously, it cannot to be
che dal 1961 realizza yacht a di un “tendalino”. Però que- loped according to the de- lighter than a “tendalino” (a
motore ad alte prestazioni. sto non può essere paragona- sign and the project worked cloth cover supported by an
out by Baia, the well-known aluminium frame). However,
[Fig. 1] - Lo yacht Baia One 43’ per cui il componente in composi- shipyard facing the Gulf of this cannot be compared with
to, oggetto dello studio, è stato pensato / The Baia One 43’ yacht Naples, and which has the first one as far as stiff-
which the composite component has been studied and designed for
been constructing high per- ness and sailing comfort are
formance motor yatchs sin- concerned.
ce 1961. Furthermore, the modern
According to what has been mold technologies do allow to
reported, with this exclusi- reproduce properly every
ve benefit, the ONE 43’ style and the “carbon look”
cockpit can be changed in- effect can be a pleasant no-
to a perfectly air-conditio- velty for the shipowner than
ned and comfortable envi- the well known sparkling
ronment [fig. 1]. brass or inox steel surfaces.
Actually, the hard tops are Particularly, this paper will
often considered as an optio- describe the structural cal-
nal to be offered to the pur- culation task conducted by
chaser of the boat. the finite element method,
Secondo quanto riportato, ri- to al primo per rigidezza e
chiedendo questo esclusivo comfort di navigazione. [Fig. 2] - Flusso di lavoro per uno studio agli elementi finiti di un
componente in composito / Working data flow for the finite element
vantaggio, il pozzetto del Inoltre, le moderne tecnolo- analysis of a composite component
Baia ONE 43’ può essere tra- gie applicate agli stampi per-
sformato in un confortevole mettono di riprodurre fedel-
ambiente perfettamente cli- mente davvero ogni idea sti-
matizzato; vedi [fig. 1]. listica. Infine, l’effetto del
Infatti, i tetti rigidi o hard top carbonio a vista può fornire
sono spesso visti come optio- all’armatore dello scafo una
nal da offrire all’acquirente piacevole novità rispetto alle
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2. i Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
[Fig. 3] - Modello FEM: in evidenza i sottogruppi copertura (colo- which is required to charac- An example of this is the rear
re arancione), montanti posteriori (colore blu) e l’anima metallica terise these new types of struts and the hard top inter-
del montante anteriore pre-esistente (colore grigio) / FEM model
nautical components as for face, as from [fig. 3].
and its sub-components: the orange cover, the blue rear struts and
the grey metal core of the pre-existing front strut the strength, the stiffness Actually, the CAD virtual
and the weight. model seems quite clear: two
This paper will show also blue struts and the orange
how the FEM calculation, top appear as only one struc-
when it is tackled and inter- ture. But the technological
preted according to certain solution to be chosen is the
methodological criteria, can one of a strut constructed se-
stand for a good supporting parately and connected after-
tool to the industrial compo- wards to the top using screws
site production. The activity and bolts.
carried out can be described The mechanically fastened
as follows [fig. 2]: joint will be covered with a
1. Design of the FEM model, carter so as to imitate the
constraint and loading style wanted in the begin-
già viste superfici luccicanti di alcuni particolari struttura- conditions ning. The area sustaining the
degli ottoni o acciai Inox. li o che l’idea iniziale debba 2. Characterisation of the strut should be expected like
In particolare, il presente ar- essere variata per ragioni component performances other similar applications
ticolo vuole descrivere l’atti- legate alla tecnologia di pro- 3. Sensitivity analysis accor- [picture of fig. 4].
vità di calcolo strutturale agli duzione. ding to the following pa- Therefore, the structural
elementi finiti necessaria a Ne è un esempio l’interfaccia rameters: engineer could be required
caratterizzare in termini di tra i montanti posteriori e la a. Lay-up to start again using a sheet
resistenza, rigidezza e peso copertura del tetto rigido ri- b. Honeycomb density and of paper, a pencil, a triangle
queste nuove tipologie di portato in [fig. 3]. thickness and a goniometer to try to
componenti nautici. Infatti, le matematiche CAD c. Local reinforcements detect the main parameters
Quanto segue può essere appaiono abbastanza chiare: 4. Presentation of the results of this area.
anche una dimostrazione di i due montanti blu e la coper- 5. Definition of the final lay- In this case, its position will
come il calcolo FEM, quan- tura arancione come un’uni- up, optimised according be to get, as well as its depth
do affrontato ed interpretato ca struttura. In realtà, la so- to the sensitivity analysis and inclination as a function
con metodo, può essere un luzione tecnologica da adot- results. of the plane provided by the
valido aiuto alla produzione tare è quella di un montante top. Such data will be tran-
industriale in composito. realizzato separatamente e Designing a FEM model sferred to the revisioned vir-
L’attività svolta può essere collegato successivamente sul- Generally, a FEM model tual model, ready for the next
descritta come segue, se ne la copertura per mezzo di viti comes from the input data working step.
riporta un grafico esemplifi- e bulloni. given by the client, that is the Actually, it should be re-
cativo in [fig. 2]: L’interfaccia meccanica sarà CAD 3D model, which the marked that the surface radii
1. Realizzazione del modello coperta da un carter in modo boat designer usually takes can be neglected.
FEM, delle ipotesi di vin- da riprendere lo stile voluto in care of. However, it could Their detection is rather un-
colo e di carico. partenza. Per l’interfaccia sa- happen that the designer handy and approximate any-
2. Caratterizzazione delle pre- rà previsto uno scasso come does not take into account way. After all, a sharp-edge
stazioni del componente per altre simili applicazioni, some structural details or modelling will stands for a
3. Analisi di sensibilità sui di cui si porta una foto in [fig. that the starting idea should conservative choice.
seguenti parametri: 4]. Quindi può essere neces- be varied for reasons related When the geometry is ready,
a. Strati di laminazione sario che lo strutturista debba to the production technology. the modelling step of loads
b. Densità e spessori ho- riprendere in mano and constraints can start. It
neycomb carta, matita, squa- [Fig. 4] - Soluzione per uno scasso: da conside- should never be forgotten
c. Rinforzi localizzati dra e goniometro per rare posizione relativa, profondità ed inclina- that the selection of these
4. Esposizione dei risultati cercare di rilevare i zione delle superfici. Possono essere trascurati fundamental parameters, as
5. Definizione di un lay-up punti principali di i raccordi / Solution for the joiningwell as the
related position is to be considered as
area:
the
far as a FEM analysis is con-
finale, ottimizzato secon- tale scasso. depth and the inclination of the surfaces. The cerned, should be carried
do i risultati dell’analisi di In questo caso varrà edge radii can be neglected out co-operating strictly with
sensibilità. la sua posizione re- the customer.
lativa rispetto al- In case external inputs are
Realizzazione del modello l’insieme, la sua lacking such as either the
FEM profondità ed incli- client’s reference standards
Generalmente, il modello nazione rispetto al or International certification
FEM nasce dai dati di input piano fornito dal directives, finding a solution
del cliente: le matematiche tetto. Tali dati an- is mainly a task assigned to
CAD 3D del componente, di dranno trasferiti sul the structural analyst.
cui il designer dell’imbarca- modello virtuale These solutions will be then
zione si fa di solito carico. CAD revisionato ed presented effectively to the
Comunque, può capitare che oramai pronto per il client so as they can be ‘free-
il designer non tenga conto passo successivo. zed’, in other words, given
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3. ti Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
[Fig. 5] - Area di carico evidenziata in verde. Oltre all’anima metal- for granted and no longer about the loading action
lica appare un altro componente, il telaio del parabrezza sottostante changeable, once they have from the top on the hull;
il tetto rigido, la cui integrità sotto il carico di progetto deve essere been acquired and accepted. nevertheless, partially this
accertata / The loading area is green coloured. Besides the metal core
another component appears the windscreen frame under the hard top As for the component “under action is unloaded on the
whose integrity under the working load should be ascertained debate”, the loading condi- windscreen frame.
tions can be conceived as a The structural analyst’s task
static and even pressure, is to take into account also
acting upright downwards these two pre-existing com-
on the whole upper part of ponents during the simula-
the top, illustrated by the tion step and to communica-
green surface of [fig. 5]. te possible critical factors
This seems to be in line with after the application of the
the major nautical certifica- design load, although, ac-
tion standards: ISO and tually, it is not part of the ini-
Germanischer Lloyd to men- tial studying.
tion a few. Thus, the virtual freezed
The model has been con- model with its constraints is
[Fig. 6] - Considerando lo scafo di diversi ordini di grandezza più
A rigore, si precisa che i rac- riore. Si suppone infatti che rigido, il tetto, l’anima e il telaio sono stati tutti incastrati ai loro
cordi presenti sullo scasso lo scafo sottostante abbia ri- appoggi / Considering that the hull is several orders of magnitude stif-
possono essere trascurati. Il gidezza di diversi ordini di fer, the top, the steel core of the strut and the frame have been all fixed
rilevamento del loro raggio grandezza superiori al tetto. to their supports
sarà piuttosto scomodo e Ora, la parte anteriore del tet-
comunque approssimato, una to merita un approfondimen-
modellazione a spigoli vivi to. Infatti, si sarà certamente
rappresenterà in fondo una notato che il modello di [fig.
scelta conservativa. 3] riporta in grigio anche un
Pronta la geometria, si può altro componente e il model-
passare a modellare i carichi lo di [fig. 5] ne riporta un al-
ed i vincoli. Non ci si stan- tro ancora in nero.
cherà mai di ripetere che la Il primo è l’anima tubolare in
scelta di questi fondamentali acciaio Inox di un montante
parametri della progettazione anteriore pre-esistente e vin-
agli elementi finiti deve essere colato allo scafo, che fornirà
realizzata in stretta collabora- al tetto il terzo punto d’ap-
zione con il committente. In poggio. Il secondo è il telaio
mancanza di input esterni co- del parabrezza dello scafo, su
me norme di riferimento in- cui il montante anteriore e strained according to the six the one shown in [fig. 6]:
terne o norme di certificazio- quindi l’anima d’acciaio si degrees of freedom in three • the composite hard top to
ne internazionali, è principal- appoggia. distinct areas, at the foot of be designed
mente compito dello strutturi- Quindi sarà anche l’anima in the rear struts and on the • the steel tube
sta trovare soluzioni. Queste acciaio che trasmetterà il front part. In fact it is assu- • the composite windscreen
saranno poi presentate effica- carico dal tetto sullo scafo; med that the underlying hull frame whose integrity
cemente in modo che, una nondimeno, parte di tale features several orders of should be checked for the
volta condivise ed accettate, azione si scaricherà sul telaio stiffness magnitude, being applied design load.
possano essere “congelate” del parabrezza. higher than the hard-top. To briefly summarize the
ossia date per acquisite e non È compito dello strutturista The front part of the top matter, the first part of a fini-
più modificabili. Per il com- considerare nella simulazio- deserves a deeper insight. Of te element analysis is the
ponente in oggetto, il carico ne anche questi due compo- course, it has been noticed construction of a virtual
può essere pensato come una nenti pre-esistenti e comuni- that the model represented in model: the CAD format is
pressione statica ed uniforme care eventuali criticità a se- [fig. 3] shows another grey supplied by the customer
agente verticalmente verso il guito dell’applicazione del component and the model of and, upon request, it is pro-
basso su tutta la parte superio- carico di progetto; benché, a [fig. 5] shows another one perly modified.
re del tetto, esemplificata dal- rigore, non faccia parte del- being black. The interactions with other
la superficie verde di [fig. 5]. l’oggetto iniziale del suo stu- The first one is the inox steel pre-existing structures are
Ciò sembra essere in accordo dio. Ecco che quindi il mo- tube core of a pre-existing evaluated. Finally, the loa-
con le principali norme di cer- dello virtuale “congelato” front strut which is connec- ding and constraint condi-
tificazione nautica: ISO e con i suoi vincoli sarà quello ted to the hull and which pro- tions are hypothesised; they
Germanischer Lloyd per citar- di [fig. 6]: vides the top with the third have to be then accepted by
ne un paio. • il tetto rigido in composito point of support. everyone.
Il modello è stato vincolato oggetto della progettazione The second one is the hull
nei sei gradi di libertà, ossia vera e propria, windscreen frame where the Characterisation of the
incastrato, in tre zone distin- • l’anima in acciaio front struts and so the steel component performances
te: ai piedi dei due montanti • il telaio del parabrezza in core rests. Therefore, it is The hard top is characterised
posteriori e nella parte ante- composito, di cui verifi- the steel core, which brings in terms of static strength,
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4. i Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
[Fig. 7] - Tabella che riporta tutte le informazioni riguardanti le diverse soluzioni however it is ne- wer than the yeld stress of
con un grafico che le riassume secondo i tre parametri di giudizio scelti / Table repor- cessary to be very the steel under study.
ting all the data about the different solutions having a graph summarising them accor- careful while exa- In this second working step,
ding to three selected evaluation parameters
mining the stiff- it is decided how to charac-
ness rate. terise the performance of the
This is shown by subject studied. In this speci-
the downward de- fic case, it is thought that the
flection, which is component should not under-
found in the front go any failure occurrence on
area of the model, any single lamina and that it
where the top inte- should not undergo any per-
racts with other manent deflection on its
two components, metal part.
as mentioned abo-
ve. Finally, its Sensitivity analysis
weight should be The sensitivity analysis is
evaluated. probably the key of the enti-
As far as the com- re studying.
posite hard top Its objective consists in fin-
and the wind- ding the way leading to the
screen frame are ideal solutions: “ideal” com-
concerned, the re- pared with the designer’s
sistance criterion, and the client’s needs as
carne l’integrità al carico che risulta più con- [Fig. 8] - Tabella che racchiude i tre parametri in un unico indice di prestazione con-
applicato. servativo del frontabile con la soluzione 1 di partenza / Table reporting three parameters in only
Riassumendo, la prima parte secondo. one performance index which can be compared with the starting solution no. 1
di uno studio agli elementi fi- È basato sul crite-
niti prevede la realizzazione rio di Von-Mises
del modello virtuale: se ne ri- per materiali iso-
ceve dal committente un for- tropici. Affinché il
mato CAD, se necessario lo si calcolo non preve-
modifica opportunamente. Si da rottura su alcuna
valutano interazioni con altre lamina, il Failure
strutture pre-esistenti. Poi, si Index secondo Hill
ipotizzano modalità di carico e deve risultare infe-
di vincolo che devono essere riore all’unità.
accettate da entrambe le parti. Invece, per il pezzo
in acciaio di cui si
Caratterizzazione delle pre- deve verificare l’integrità which has been taken into well as of the component
stazioni dei componenti strutturale, si è considerata la account, is the one by Hill. producer. According to the
Il tetto rigido è caratterizzato tensione equivalente di Von Contrary to the better known “total quality” concept,
in termini di resistenza statica, Mises. ultimate stress criterion, the everybody should deserve te
si deve avere comunque più di Quindi, affinché il pezzo non first one considers all the va- same attention.
un occhio di riguardo sulla ri- si deformi permanentemente, rious types of stresses, which Usually, the first aims at the
gidezza. Questa è esplicitata tale valore deve risultare infe- actually take place simulta- best compromise between
nella freccia verticale verso il riore al carico unitario di sco- neously on a laminate. resistance, stiffness and wei-
basso che si ha nella zona an- stamento dalla proporziona- As a result, this shows to be ght so as to meet all his
teriore del modello dove, co- lità dell’acciaio in questione. more conservative than the working needs, while the
me abbiamo già visto, il tetto In questa seconda fase si deci- second one. second would like it to be as
interagisce con altri due com- de quindi come caratterizzare It is based upon the Von- lighter as possible for clear
ponenti. Per ultimo, se ne de- le prestazioni dell’oggetto Mises’ criterion for the iso- economic reasons.
ve valutare il peso. dello studio. tropic materials. To prevent Finally, the third one is
Per quanto riguarda il tetto Nel caso specifico si ritiene the failure on any laminate, prone to ask for the easiest
rigido ed il telaio del para- che il componente non si deb- the Failure Index according solution to be technological-
brezza in materiale composi- ba rompere in nessuna singo- to Hill should be lower than ly handled in order to mini-
to, il criterio di resistenza pre- la lamina di composito e non 1. On the contrary, as for mise the construction time
so in esame è quello di Hill. A si debba deformare perma- the steel piece where the and costs, thus providing the
differenza del forse più noto nentemente nella sua parte structure integrity should be best offer to the client. It is
criterio di massimo stress, il metallica. verified, the Von Mises’ exactly in this case that the
primo prende in considerazio- equivalent strength has been FEM calculation finds one of
ne tutti i diversi tipi di solleci- Analisi di sensibilità considered. the most adequate areas of
tazione che in verità accadono L’analisi di sensibilità è forse To avoid the permanent application in the industrial
contemporaneamente su di il cuore di tutto lo studio. Il deflections of the piece, production.
una lamina. Il risultato di ciò è suo obiettivo è di trovare le such a value should be lo- In fact, with the virtual mo-
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5. ti Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
strade che portino alla solu- rino le due colorate. Inoltre, del the designer’s aim is not the summarised data provi-
zione ideale: ideale rispetto il grafico confronta le solu- to reproduce carefully the ding as well the pieces of
alle esigenze dello strutturi- zioni nei 3 aspetti fondamen- phenomenon itself, assuming information required.
sta, del committente e di chi tali che possono andare a it is possible, but to find a Actually, as for the general
produce il componente. rappresentare i bisogni sopra tool which can detect the solution, a performance in-
Secondo il concetto della elencati. Si ha: fundamental factors of it. dex is calculated taking into
qualità totale, tutti dovrebbe- 1. la quantità di laminato Once the model has been account at the same time the
ro essere degni della medesi- presente nella struttura a evaluated positively from laminate ratio, the maximum
ma considerazione. Di solito, misura del suo peso e this point of view, changing deflection and the failure
il primo vuole il miglior com- costo, the construction parameters index compared with the
promesso tra resistenza, rigi- 2. la freccia massima a misu- will be a relatively easy and starting solution.
dezza e peso in modo da tro- ra della sua rigidezza fast operation. Furthermore, favouring the
vare piena soddisfazione nel 3. l’indice di rottura massi- Therefore, it will be possible customer, the first factor
lavoro che fa. Mentre il se- mo (calcolabile diretta- to compare immediately the dealing with the amount of
condo lo vorrebbe il più leg- mente dal failure index different solutions and to pre-preg is doubled. Such a
gero possibile, per evidenti secondo Hill) che può mi- interpret the best ones. graph is reported in [fig. 8]
ragioni di costo. Il terzo, infi- surare la resistenza della [Fig. 7] shows an example of and it shows 8 columns as a
ne, tende a chiedere la solu- struttura. the sensitivity analysis. In function of the efficiency of
zione più facile da gestire a In questo modo, tutti i risulta- this way a method is to be each solution.
livello tecnologico per poter ti ottenuti sono, forse, di faci- shared, rather than to show The starting solution no. 1
minimizzare costi e tempi di le consultazione. Sicuramente just the results. can be taken as a reference
realizzazione, fornendo la mi- non si è in grado di valutare Typically, the table of the and, actually, it assumes a
glior offerta possibile. Ecco visivamente la migliore delle solutions and a related graph unit value. The graph shows,
che qui il calcolo FEM trova soluzioni dovendo incrociare are reported. [Tab. 4] shows for example, that the sandwi-
forse una delle sue più valide i 3 aspetti sopra descritti per 4 macro-columns: the first ch thickness rate is more
applicazioni a livello di pro- le 8 diverse ipotesi. one on the left shows the important than its density:
duzione industriale. Infatti, Ecco che quindi può essere listing numbers of the solu- the solution no. 2 assumes a
non si vuole con il modello utile un ulteriore grafico che tions, and the second one performance index being
virtuale riprodurre fedelmen- elabori i dati riassunti e dia le briefly describes their con- equal to 1,38 against the so-
te la realtà del fenomeno, am- informazioni volute. Infatti, struction parameters. lution no. 8 providing a va-
messo che ciò sia possibile; per la soluzione generica si As it can be seen, the sandwi- lue of 1,47.
piuttosto, si vuole uno stru- calcola un indice di presta- ch density and thickness If this can be generally
mento che possa coglierne gli zione che consideri contem- rates are taken into account expected, this graph is also
aspetti fondamentali. poraneamente la percentuale and various types of reinfor- useful to realise that dou-
Una volta che il modello è di laminato, la freccia massi- cements have been hypothe- bling the sandwich height
stato valutato positivamente ma e l’indice di rottura ri- sised. The third column re- (solution no. 8) seems to be
da questo punto di vista, sarà spetto alla soluzione di par- ports the weight in 4 subco- more useful than laying up
relativamente facile e veloce tenza. Inoltre, si considera lumns and the last one re- another laminate layer on the
variarne i parametri costrutti- doppio il contributo del pri- ports the performances in 7 entire top (solution no. 3).
vi. Potrà essere quindi imme- mo aspetto: la presenza di subcolumns; to make the Otherwise, reinforcing lo-
diato confrontare le diverse pre-preg. Tale grafico è ri- matter simpler, the two co- cally on the top edges (solu-
soluzioni e interpretare le portato in [fig. 8] e presenta loured columns should be tion no. 6) seems to be the
migliori. 8 colonne a misura dell’effi- considered, i.e.: way to lead, rather than to
In [fig. 7] viene riportato un cienza di ciascuna soluzione. 1. the laminate quantity provide large reinforce-
esempio di analisi di sensibi- La soluzione 1 di partenza found in the structure as ments along all its length
lità. Con ciò si vuole condi- può essere presa come riferi- a function of its weight (longitudinal reinforcement
videre un metodo, piuttosto mento ed assume infatti va- and cost, of the solution no. 4) or its
che mostrare i freddi risulta- lore unitario. Il grafico ci di- 2. the maximum camber as a width (cross reinforcement
ti. In particolare, si riporta la ce, ad esempio, che lo spes- function of its stiffness and of the solution no. 5).
tabella delle soluzioni ed un sore del sandwich è più in- 3. the maximum failure index As a whole, the sensitivity
grafico che le riassume. La fluente della sua densità: so- (which can be calculated analysis is used to show the
tabella ha 4 macro-colonne: luzione 2 che assume un in- directly from the failure way to lead in search of the
la prima a sinistra che le nu- dice di prestazione pari a index according to Hill) best solution.
mera semplicemente, la se- 1,38 contro soluzione 8 che which can measure the Obviously, this depends on
conda che brevemente le de- dà un valore di 1,47. Se que- structure strength. the factors, which are taken
scrive nei suoi parametri co- sto può essere facilmente pre- Thus, all the results obtained as a reference. These factors
struttivi. Come si vede si so- vedibile, questo grafico è an- could be easy to consult. Of cannot be taken as a general
no considerati la densità e lo che utile nel capire che rad- course, it is not possible to rule, but they should go
spessore del sandwich e sono doppiare l’altezza del sand- evaluate visually the best beyond the analysis of the
state ipotizzate varie tipolo- wich (soluzione 8) sembra solution, as the three above- needs involving three rival
gie di rinforzo. La terza co- essere più conveniente che mentioned factors should be subjects: designer, client and
lonna riassume il peso in 4 stendere un altro strato di la- cross-examined according to constructor.
sotto-colonne e l’ultima le minato su tutto il tetto (solu- the 8 different hypotheses. Turning the need into a ma-
prestazioni in 7 sotto-colon- zione 3). Oppure, rinforzare So, it may be useful to plot gnitude, which can be mea-
ne; per semplicità si conside- localmente ai bordi del tetto another graph working out sured, could be the most dif-
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6. i Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
[Fig. 9] - Mappa dei Failure Index secondo Hill sul telaio del para- ficult task. An example is introduced afterwards in the
brezza, in chiaro le zone più sollecitate. In alto a destra, la scala dei given: the quantity of lami- simulation test.
valori con il massimo raggiunto / Failure Index map according to Hill nate, the maximum deflec- An example of the map inclu-
on the windscreen frame, where the most stressed area are light colou-
red. On the right above, the value scale with the maximum reached
tion and the maximum failu- ding the failure index test
re index. according to Hill is given in
The optimal choice of the [fig. 9]; it is confirmed that
construction parameters, in the most critical point of the
this case the laminate thick- frame is obviously the site
ness and the density as well where the front strut cames
as the reinforcement type, into contact.
will depend on how these However, the calculation
three requirements are met. shows that there is a good
margin of safety, and, in fact,
Presentation of the results the table above on the right
Once the sensitivity analysis shows a maximum index fai-
(soluzione 6) sembra essere il peso ci si riferisce sempli- has been concluded it is pos- lure equal to 0.14.
la strada da seguire, piuttosto cemente dal dato fornito dal sible to display the results From this datum it is possi-
che prevedere ampi rinforzi modello virtuale, avendo in- obtained. These results can ble to find the coefficient of
lungo tutta la sua lunghezza trodotto correttamente i valo- be broken down into as many safety for the model when it
(rinforzo longitudinale della ri delle densità dei materiali. parts as the number of fac- is subject to the design load.
soluzione 4) o la sua larghez- Per quanto anticipato, per tors, which have been taken This coefficient of safety
za (rinforzo trasversale della prima cosa si dovrà mostrare as a reference searching for should be declared because
soluzione 5). che ciascun componente in the ideal solution. it can summarise better than
Complessivamente, l’analisi composito non arrivi a rottu- In this case, it was the resi- any other map, the suitability
di sensibilità serve ad indi- ra: nel nostro caso il tetto stance, the stiffness and the of the suggested lamination.
carci la strada da seguire alla oggetto dello studio di par- weight. As for resistance and The same should be done for
ricerca della migliore solu- tenza e il telaio del parabrez- stiffness, the coloured maps the metal component, which
zione. Ciò ovviamente di- za inserito successivamente of values, which are often should not yield.
pende dagli aspetti che si nella simulazione. Un esem- considered as the key point The value map is related to
prendono come riferimento. pio di mappa dei valori dei of the FEM analysis, are the Von Mises’ equivalent
Questi non possono essere Failure Index secondo Hill è taken into account. stresses, again with the
generalizzati, ma devono in [fig. 9]; si conferma che il As for the weight, the datum indication of the maximum
uscire da un’analisi dei biso- punto più critico del telaio è supplied by the virtual model value.
gni che coinvolge tre “con- ovviamente dove il montante is referred to, having intro- As far as the stiffness is con-
tendenti”: strutturista, cliente anteriore si appoggia. duced properly the material cerned, it is also necessary to
e produttore. Comunque il calcolo ci dice density values. provide the deflection map
Tradurre il bisogno in una che siamo in buona sicurez- As from it was said above, and to state plainly the data
grandezza misurabile è forse za; infatti, la tabella in alto a first of all it should be proved in the sites which are consi-
l’aspetto più delicato. Si è destra indica un massimo that each composite compo- dered as the most interesting
voluto qua fornirne un esem- Failure Index di 0,14. Da nent does not undergo any ones, not restricted simply to
pio: quantità di laminato, frec- questo valore si può risalire failure: in this specific case the maximum value.
cia massima e indice di rottu- al coefficiente di sicurezza there are the top examined in In this specific case, the
ra massimo. La scelta ottima- per il modello, quando sog- the beginning and the wind- points where the top and fra-
le dei parametri costruttivi, in getto al carico di progetto. È screen frame which was me structures can be subject
questo caso spessore e densità bene che questo valore venga
del laminato e tipologia di rin- dichiarato, perché può rias- [Fig. 10] - Esempio di mappa degli spostamenti in Z. I valori negati-
forzo, dipenderà dal grado di sumere meglio di qualsiasi vi in tabella indicano che il verso è opposto al sistema di riferimento
soddisfazione dei tre requisiti mappa la bontà della lamina- riportato a sinistra. Nei riquadri i valori più significativi / Example
appena ricordati. zione proposta. Analogo di- of the deviation map in Z. The negative value in the table shows that
the direction is opposed to the reference system reported on the left. In
scorso può essere fatto per il
the boxes the most meaningful value are reported
Esposizione dei risultati componente metallico che
Conclusa l’analisi di sensibi- non si deve deformare per-
lità si possono esporre i risul- manentemente. La mappa dei
tati ottenuti. Questi possono valori sarà relativa alle ten-
essere suddivisi in tante parti sioni equivalenti di Von Mi-
quanti sono gli aspetti che si ses con indicato, ancora una
sono presi a riferimento nella volta, il massimo.
ricerca della soluzione idea- In termini di rigidezza, si do-
le. Nel nostro caso si è tratta- vrà fornire la mappa degli
to di resistenza, rigidezze, e spostamenti e dichiarare espli-
peso. Per le prime due entra- citamente i valori nei punti
no in gioco le colorate map- che si ritengono più interes-
pe dei valori che, forse a tor- santi, non limitandosi al solo
to, sono spesso considerate il valore massimo.
fulcro dell’analisi FEM. Per Nel nostro caso si sono consi-
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7. ti Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
derati i punti dove le strutture nenti in materiale composito to interferences have been surfaces of the laminates to
tetto e telaio possono andare in è la definizione di un lay-up, examined [fig. 10]. the honeycomb core, should
interferenza; vedi [fig. 10]. ossia di una sequenza degli Briefly commenting the map, be taken into account.
Commentando brevemente strati di laminazione. it could be stated that the All this data can be appre-
la mappa, si può dire che gli Lo strutturista deve infatti major deflections are toward ciated mainly thanks to the
spostamenti maggiori sono prevedere non solo quali e the Z direction downwards experience. So, one would
stati nella direzione Z verso quanti laminati utilizzare, ma and localised on the front rather declare the weight of
il basso e localizzati nella pensare sin dall’inizio al mo- part of the top. the virtual model and hy-
parte anteriore del tetto. In do più efficiente in cui questi Particularly, they are at the pothesise the aliquot which
particolare, si sono avuti agli possano essere disposti in corners matching the most has not been examined du-
angoli che coincidono con le sequenza sullo stampo. far away areas from any sup- ring the calculation step,
zone più lontane da ogni Ovviamente, soprattutto per port. It is worth remarking that is, in this specific case,
forma di appoggio. ragioni di esperienza sul cam- that the deviation map is not the painting coatings, the
Vale anche la pena far notare po, esso non può pensare di perfectly symmetrical al- overlapping layers and the
che la mappa degli sposta- sostituirsi al “tecnologo” di though the geometry and the adhesives.
menti non è perfettamente laminazione, ossia a quella applied load actually are so. Briefly, this working step can
simmetrica, benché siano tali figura responsabile di questo This is due to the technologi- be conceived as showing
geometria e carico applicato fase della produzione. cal solutions concerning the what has been obtained in
su di essa. Ciò è dovuto a so- Comunque deve fornire division of the top. terms of component perfor-
luzioni tecnologiche riguar- quelle indicazioni per cui il The lay-up in the related mances, been provided by
danti la divisione della sotto- modello fisico riprenda il più overlapping bonding areas the sensitivity analysis.
parte copertura; la lamina- possibile quello virtuale. makes one half of it stiffer
zione nelle relative zone d’in- Gli strati generali su tutta la than the other one. Definition of a final lay-up
collaggio fanno una metà più superficie in genere non Finally, an estimate of the process
rigida dell’altra. danno grosse complicazio- weight should be provided, The scope of every enginee-
Infine si deve fornire una stima ni; più attenzione dovrà given that the model, for ring analysis dealing with
del peso considerando che il essere invece rivolta a come example, does not take into composite materials is the
modello, ad esempio, non tiene e quando disporre eventuali account the painting phase. definition of a lay-up i.e. the
conto della fase di verniciatura. inserti metallici, strati loca- In fact, both in the case of a sequence of the lamination
Infatti sia che si voglia una lizzati di rinforzo e fogli di “carbon look” surface or of layers.
superficie con il carbonio a vi- sandwich. a painted one are sought, the Actually, the designer should
sta che verniciata, questa ha bi- Come detto, è bene che il surfaces itself need to be foresee not only which one
sogno di essere trattata con laminatore si attenga a que- treated with some coating and how many laminates
strati di materiali, che sicura- ste indicazioni affinché il which certainly influences have to be used, but also
mente vanno ad influire sul pe- componente reale sia il più the final weight. think from the beginning the
so finale. Inoltre sono da consi- possibile fedele a quello vir- Furthermore, the technologi- most efficient way these can
derare le sovrapposizioni tec- tuale, specialmente per quan- cal overlapping occurring be arranged in sequence on
nologiche quando si stendono i to riguarda la rigidezza. while laying up the laminates the mould.
laminati. In particolare per Allo stesso modo, è dovere should be considered. In this Obviously, mainly due to
questo componente, si dovrà dello strutturista proporre particular component, the the experience on the field,
tener conto anche del film ade- sequenze realizzabili e snel- adhesive film too, which is he cannot think to replace
sivo necessario ad incollare le le in modo da favorire i tem- required to bond the large the laminator, who is re-
ampie superfici dei laminati al
[Fig. 11] - Sequenza di laminazione suggerita per i rinforzi della zona di
sponsible for this produc-
sandwich a nido d’ape. Tutti collegamento meccanico dei montanti posteriori sulla copertura / tion step.
Sequence of lamination suggested for the reinforcements of the mechani- However, he should provide
questi valori sono stimabili, so-
prattutto grazie all’esperienza.
cal connecting area of the rear struts on the cover those data in order for the
Sarebbe quindi preferibile di- physical model to match as
chiarare il peso dato dal mo- much as possible the vir-
dello virtuale ed ipotizzare tual model.
quell’aliquota di cui il calcolo The general layers on the
non tiene conto: nel nostro ca- entire surface do not bring
so strati di verniciatura, so- about serious problems. Mo-
vrapposizioni ed adesivi. re attention should be paid to
Riassumendo brevemente, how and when to arrange
questa fase può essere pensa- possible metal inserts, loca-
ta come esposizione di ciò lised reinforcement layers
che si è ottenuto in termini di and sandwich laminates.
prestazioni del componente, As mentioned above, the
ottenuta grazie ai risultati laminator would rather rely
dell’analisi di sensibilità. on this data to make the real
component as much the
Definizione di un lay-up same as the virtual one,
finale especially as far as the stiff-
Lo scopo ultimo di ogni stu- ness is concerned. Similar-
dio di engineering su compo- ly, the designer should also
12 Via Mare By Sea Via Mare By Sea Via Mare By Sea Via Mare By Sea Via Mare By Sea 3/2006

8. i Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Composites Compositi Co
pi e costi di produzione. del cliente e di chi lo produ- suggest feasible and simple the recreational boat use. It
Un esempio d’informazione ce. Lo strutturista gioca un sequences so as to speed up has been optimised taking
che lo strutturista può fornire ruolo chiave in questa otti- and to save money in the pro- care of the customer’s needs
è in [fig. 11]. Si tratta della mizzazione. duction process. and of those who produce it.
sequenza di laminazione dei Infatti, si deve far carico di An example of the piece of The designer plays a key role
rinforzi sul sotto gruppo trasformare i desideri in information, which the desi- in this optimisation process.
copertura, là dove verranno grandezze misurabili. gner can provide, is shown in Actually, he should perform
collegati meccanicamente i Deve quindi individuare una [fig. 11]. the task of identifying a se-
montanti posteriori. serie di parametri costruttivi It is a sequence of the rein- ries of design parameters
I risultati dichiarati si sono che caratterizzino le diverse forcement lamination on the which characterise the diffe-
ottenuti disponendo, dopo il soluzioni. Sono queste che il cover subgroup, where the rent solutions and which can
laminato generale verde, pri- calcolo computazionale rie- rear struts will be mechani- be handled through a relati-
ma uno strato di rinforzo (co- sce a gestire piuttosto age- cally fastened. vely easy computational cal-
lore rosso), poi il foglio di volmente. The results have been obtai- culation.
honeycomb (strato giallo) ed Si deve poi riordinare tale ned arranging after the ge- Such an amount of data
infine un secondo strato. mole di dati in modo che in- neral purposes green la- should be put in order so as
Inoltre, viene evidenziato dichino la strada da seguire minate, firstly a reinforce- to find the best way leading
l’angolo di riferimento che verso l’ottimizzazione. In- ment layer (red coloured), the optimisation process.
può servire a collocare tali fine, la scelta effettuata deve then the honeycomb layer Finally, the choice carried
“pezze” con precisione. essere confermata dai risul- (yellow coloured) and finally out should be reconfirmed
tati ottenuti. a second reinforcement layer. by the results obtained.
Conclusioni Questi possono essere divisi Furthermore, the reference These can be broken down
Un’attività di calcolo struttu- in due sotto-parti: prestazio- angle is highlighted. In fact, into two sub-parts: perfor-
rale agli elementi finiti è ni e fattibilità del processo di it can be used to place such mances and feasibility of the
stata applicata ad un compo- laminazione. patches precisely. lamination process.
nente in materiale composito L’autore sarà lieto di ap- The author would be glad to
avanzato pensato per la nau- profondire e condividere con Conclusions further discuss and share
tica da diporto. i lettori eventuali osservazio- A computer aided enginee- with the reader’s observa-
L’oggetto in questione si è ni e commenti. ring activity has been ap- tions and commentaries.
così potuto ottimizzare te- A tal scopo, si prega di con- plied to an advanced compo- To do so, please, contact the
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