Introducing the advanced composite materials in the recreational boat sector

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Floriano Bonfigli Introduzione I compositi avanzati, spesso identificati con il limitativo termine carbonio e delle re- lative non meno importanti tecnologie, sono utilizzati nella nautica quasi esclusiva- mente per le applicazioni più estreme. Invece, si vuole qui dimostra- re che l’uso del più nobile tra i materiali compositi risulta possibile e conveniente anche per il mercato più esteso del diporto. È il caso di un tetto rigido che ATR Group ha svi- luppato su idea e progetto di Baia, il noto cantiere che si affaccia sul Golfo di Napoli e che dal 1961 realizza yacht a motore ad alte prestazioni. Secondo quanto riportato, ri- chiedendo questo esclusivo vantaggio, il pozzetto del Baia ONE 43’ può essere tra- sformato in un confortevole ambiente perfettamente cli- matizzato; vedi [fig. 1]. Infatti, i tetti rigidi o hard top sono spesso visti come optio- nal da offrire all’acquirente di un’imbarcazione. Questi de- vono essere i più leggeri pos- sibili e facili da vincolare al- le sottostanti strutture por- tanti, in modo da minimizza- re i tempi d’allestimento. Nondimeno, devono garanti- re rigidezze tali da evitare in navigazione fastidiose defor- mazioni, vibrazioni e rumori ad esse associati. Infine, dal punto di vista estetico, devo- no essere il meno invasivi possibili, seguendo fedel- mente le linee di stile che il designer ha pensato per loro. Il materiale composito avan- zato fornisce forse il miglior compromesso. Certamente, non potrà essere più leggero di un “tendalino”. Però que- sto non può essere paragona- to al primo per rigidezza e comfort di navigazione. Inoltre, le moderne tecnolo- gie applicate agli stampi per- mettono di riprodurre fedel- mente davvero ogni idea sti- listica. Infine, l’effetto del carbonio a vista può fornire all’armatore dello scafo una piacevole novità rispetto alle Introduzione The use of advanced compo- site materials, which are often referred only to the term carbon, as well as the use of the related and not less important technologies, is common in the nautical world almost exclusively for the extreme applications. On the contrary, this article may prove that the use of noblest composite materials is actually possible and pro- fitable even on the more extended recreational boat market. It is the case of a hard top which ATR group has deve- loped according to the de- sign and the project worked out by Baia, the well-known shipyard facing the Gulf of Naples, and which has been constructing high per- formance motor yatchs sin- ce 1961. According to what has been reported, with this exclusi- ve benefit, the ONE 43’ cockpit can be changed in- to a perfectly air-conditio- ned and comfortable envi- ronment [fig. 1]. Actually, the hard tops are often considered as an optio- nal to be offered to the pur- chaser of the boat. These should be as lighter as possible and easy to con- straint to the underlying structure, so as to minimize the assembling time. Nevertheless, they should guarantee such a stiffness rate to avoid, while sailing, unwanted strains, as well as the related vibrations and noises. Finally, from the esthetical point of view, they should interfere the least possible, strictly adju- sting themselves to the style designed for them. The advanced composite ma- terial, probably stands for the best compromise. Obviously, it cannot to be lighter than a “tendalino” (a cloth cover supported by an aluminium frame). However, this cannot be compared with the first one as far as stiff- ness and sailing comfort are concerned. Furthermore, the modern mold technologies do allow to reproduce properly every style and the “carbon look” effect can be a pleasant no- velty for the shipowner than the well known sparkling brass or inox steel surfaces. Particularly, this paper will describe the structural cal- culation task conducted by the finite element method, Via Mare Via Mare By Sea By Sea Via Mare Via Mare By Sea By Sea Via Mare Via Mare By Sea By Sea Via Mare Via Mare By Sea By Sea Via Mare Via Mare By Sea By Sea 3/2006 3/2006 6 ti i Composites Composites Compositi Compositi Composites Composites Compositi Compositi Composites Composites Compositi Compositi Composites Composites Compositi Compositi Composites Composites Compositi Compositi Co Co Introdurre i materiali compositi avanzati nella nautica da diporto Introducing the advanced composite materials in the recreational boat sector [Fig. 1] - Lo yacht Baia One 43’ per cui il componente in composi- to, oggetto dello studio, è stato pensato / The Baia One 43’ yacht which the composite component has been studied and designed for [Fig. 2] - Flusso di lavoro per uno studio agli elementi finiti di un componente in composito / Working data flow for the finite element analysis of a composite component

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

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Floriano Bonfigli

Introduzione

I compositi avanzati, spessoidentificati con il limitativotermine carbonio e delle re-lative non meno importantitecnologie, sono utilizzatinella nautica quasi esclusiva-mente per le applicazioni piùestreme.Invece, si vuole qui dimostra-re che l’uso del più nobile trai materiali compositi risultapossibile e conveniente ancheper il mercato più esteso deldiporto. È il caso di un tettorigido che ATR Group ha svi-luppato su idea e progetto diBaia, il noto cantiere che siaffaccia sul Golfo di Napoli eche dal 1961 realizza yacht amotore ad alte prestazioni.

Secondo quanto riportato, ri-chiedendo questo esclusivovantaggio, il pozzetto delBaia ONE 43’ può essere tra-sformato in un confortevoleambiente perfettamente cli-matizzato; vedi [fig. 1].Infatti, i tetti rigidi o hard topsono spesso visti come optio-nal da offrire all’acquirente

di un’imbarcazione. Questi de-vono essere i più leggeri pos-sibili e facili da vincolare al-le sottostanti strutture por-tanti, in modo da minimizza-re i tempi d’allestimento. Nondimeno, devono garanti-re rigidezze tali da evitare innavigazione fastidiose defor-mazioni, vibrazioni e rumoriad esse associati. Infine, dalpunto di vista estetico, devo-no essere il meno invasivipossibili, seguendo fedel-mente le linee di stile che ildesigner ha pensato per loro.Il materiale composito avan-zato fornisce forse il migliorcompromesso. Certamente,non potrà essere più leggerodi un “tendalino”. Però que-sto non può essere paragona-

to al primo per rigidezza ecomfort di navigazione. Inoltre, le moderne tecnolo-gie applicate agli stampi per-mettono di riprodurre fedel-mente davvero ogni idea sti-listica. Infine, l’effetto delcarbonio a vista può fornireall’armatore dello scafo unapiacevole novità rispetto alle

Introduzione

The use of advanced compo-site materials, which areoften referred only to theterm carbon, as well as theuse of the related and notless important technologies,is common in the nauticalworld almost exclusively forthe extreme applications.On the contrary, this articlemay prove that the use ofnoblest composite materialsis actually possible and pro-fitable even on the moreextended recreational boatmarket.It is the case of a hard topwhich ATR group has deve-loped according to the de-sign and the project workedout by Baia, the well-knownshipyard facing the Gulf ofNaples, and which hasbeen constructing high per-formance motor yatchs sin-ce 1961.According to what has beenreported, with this exclusi-ve benefit, the ONE 43’cockpit can be changed in-to a perfectly air-conditio-ned and comfortable envi-ronment [fig. 1].Actually, the hard tops areoften considered as an optio-nal to be offered to the pur-chaser of the boat.

These should be as lighter aspossible and easy to con-straint to the underlyingstructure, so as to minimizethe assembling time.Nevertheless, they shouldguarantee such a stiffnessrate to avoid, while sailing,unwanted strains, as wellas the related vibrationsand noises. Finally, fromthe esthetical point of view,they should interfere theleast possible, strictly adju-sting themselves to the styledesigned for them.The advanced composite ma-terial, probably stands forthe best compromise. Obviously, it cannot to belighter than a “tendalino” (acloth cover supported by analuminium frame). However,this cannot be compared withthe first one as far as stiff-ness and sailing comfort areconcerned.Furthermore, the modernmold technologies do allow toreproduce properly everystyle and the “carbon look”effect can be a pleasant no-velty for the shipowner thanthe well known sparklingbrass or inox steel surfaces.Particularly, this paper willdescribe the structural cal-culation task conducted bythe finite element method,

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Introdurre i materiali

compositi avanzati nella

nautica da diporto

Introducing the advanced

composite materials in the

recreational boat sector

[Fig. 1] - Lo yacht Baia One 43’ per cui il componente in composi-to, oggetto dello studio, è stato pensato / The Baia One 43’ yachtwhich the composite component has been studied and designed for

[Fig. 2] - Flusso di lavoro per uno studio agli elementi finiti di uncomponente in composito / Working data flow for the finite elementanalysis of a composite component

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già viste superfici luccicantidegli ottoni o acciai Inox.In particolare, il presente ar-ticolo vuole descrivere l’atti-vità di calcolo strutturale aglielementi finiti necessaria acaratterizzare in termini diresistenza, rigidezza e pesoqueste nuove tipologie dicomponenti nautici.Quanto segue può essereanche una dimostrazione dicome il calcolo FEM, quan-do affrontato ed interpretatocon metodo, può essere unvalido aiuto alla produzioneindustriale in composito.L’attività svolta può esseredescritta come segue, se neriporta un grafico esemplifi-cativo in [fig. 2]:1. Realizzazione del modello

FEM, delle ipotesi di vin-colo e di carico.

2. Caratterizzazione delle pre-stazioni del componente

3. Analisi di sensibilità suiseguenti parametri:a. Strati di laminazioneb. Densità e spessori ho-

neycombc. Rinforzi localizzati

4. Esposizione dei risultati5. Definizione di un lay-up

finale, ottimizzato secon-do i risultati dell’analisi disensibilità.

Realizzazione del modelloFEMGeneralmente, il modelloFEM nasce dai dati di inputdel cliente: le matematicheCAD 3D del componente, dicui il designer dell’imbarca-zione si fa di solito carico.Comunque, può capitare cheil designer non tenga conto

di alcuni particolari struttura-li o che l’idea iniziale debbaessere variata per ragionilegate alla tecnologia di pro-duzione.Ne è un esempio l’interfacciatra i montanti posteriori e lacopertura del tetto rigido ri-portato in [fig. 3].Infatti, le matematiche CADappaiono abbastanza chiare:i due montanti blu e la coper-tura arancione come un’uni-ca struttura. In realtà, la so-luzione tecnologica da adot-tare è quella di un montanterealizzato separatamente ecollegato successivamente sul-la copertura per mezzo di vitie bulloni. L’interfaccia meccanica saràcoperta da un carter in mododa riprendere lo stile voluto inpartenza. Per l’interfaccia sa-rà previsto uno scasso comeper altre simili applicazioni,di cui si porta una foto in [fig.4]. Quindi può essere neces-sario che lo strutturista debbariprendere in manocarta, matita, squa-dra e goniometro percercare di rilevare ipunti principali ditale scasso.In questo caso varràla sua posizione re-lativa rispetto al-l’insieme, la suaprofondità ed incli-nazione rispetto alpiano fornito daltetto. Tali dati an-dranno trasferiti sulmodello virtualeCAD revisionato edoramai pronto per ilpasso successivo.

which is required to charac-terise these new types ofnautical components as forthe strength, the stiffnessand the weight.This paper will show alsohow the FEM calculation,when it is tackled and inter-preted according to certainmethodological criteria, canstand for a good supportingtool to the industrial compo-site production. The activitycarried out can be describedas follows [fig. 2]:1. Design of the FEM model,

constraint and loadingconditions

2. Characterisation of thecomponent performances

3. Sensitivity analysis accor-ding to the following pa-rameters:a. Lay-upb. Honeycomb density and

thicknessc. Local reinforcements

4. Presentation of the results5. Definition of the final lay-

up, optimised accordingto the sensitivity analysisresults.

Designing a FEM modelGenerally, a FEM modelcomes from the input datagiven by the client, that is theCAD 3D model, which theboat designer usually takescare of. However, it couldhappen that the designerdoes not take into accountsome structural details orthat the starting idea shouldbe varied for reasons relatedto the production technology.

An example of this is the rearstruts and the hard top inter-face, as from [fig. 3]. Actually, the CAD virtualmodel seems quite clear: twoblue struts and the orangetop appear as only one struc-ture. But the technologicalsolution to be chosen is theone of a strut constructed se-parately and connected after-wards to the top using screwsand bolts.The mechanically fastenedjoint will be covered with acarter so as to imitate thestyle wanted in the begin-ning. The area sustaining thestrut should be expected likeother similar applications[picture of fig. 4].Therefore, the structuralengineer could be requiredto start again using a sheetof paper, a pencil, a triangleand a goniometer to try todetect the main parametersof this area.In this case, its position willbe to get, as well as its depthand inclination as a functionof the plane provided by thetop. Such data will be tran-sferred to the revisioned vir-tual model, ready for the nextworking step.Actually, it should be re-marked that the surface radiican be neglected.Their detection is rather un-handy and approximate any-way. After all, a sharp-edgemodelling will stands for aconservative choice. When the geometry is ready,the modelling step of loadsand constraints can start. Itshould never be forgottenthat the selection of thesefundamental parameters, asfar as a FEM analysis is con-cerned, should be carriedout co-operating strictly withthe customer.In case external inputs arelacking such as either theclient’s reference standardsor International certificationdirectives, finding a solutionis mainly a task assigned tothe structural analyst.These solutions will be thenpresented effectively to theclient so as they can be ‘free-zed’, in other words, given

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[Fig. 3] - Modello FEM: in evidenza i sottogruppi copertura (colo-re arancione), montanti posteriori (colore blu) e l’anima metallicadel montante anteriore pre-esistente (colore grigio) / FEM modeland its sub-components: the orange cover, the blue rear struts andthe grey metal core of the pre-existing front strut

[Fig. 4] - Soluzione per uno scasso: da conside-rare posizione relativa, profondità ed inclina-zione delle superfici. Possono essere trascuratii raccordi / Solution for the joining area: therelated position is to be considered as well as thedepth and the inclination of the surfaces. Theedge radii can be neglected

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A rigore, si precisa che i rac-cordi presenti sullo scassopossono essere trascurati. Ilrilevamento del loro raggiosarà piuttosto scomodo ecomunque approssimato, unamodellazione a spigoli vivirappresenterà in fondo unascelta conservativa.Pronta la geometria, si puòpassare a modellare i carichied i vincoli. Non ci si stan-cherà mai di ripetere che lascelta di questi fondamentaliparametri della progettazioneagli elementi finiti deve essererealizzata in stretta collabora-zione con il committente. Inmancanza di input esterni co-me norme di riferimento in-terne o norme di certificazio-ne internazionali, è principal-mente compito dello strutturi-sta trovare soluzioni. Questesaranno poi presentate effica-cemente in modo che, unavolta condivise ed accettate,possano essere “congelate”ossia date per acquisite e nonpiù modificabili. Per il com-ponente in oggetto, il caricopuò essere pensato come unapressione statica ed uniformeagente verticalmente verso ilbasso su tutta la parte superio-re del tetto, esemplificata dal-la superficie verde di [fig. 5].Ciò sembra essere in accordocon le principali norme di cer-tificazione nautica: ISO eGermanischer Lloyd per citar-ne un paio.Il modello è stato vincolatonei sei gradi di libertà, ossiaincastrato, in tre zone distin-te: ai piedi dei due montantiposteriori e nella parte ante-

riore. Si suppone infatti chelo scafo sottostante abbia ri-gidezza di diversi ordini digrandezza superiori al tetto.Ora, la parte anteriore del tet-to merita un approfondimen-to. Infatti, si sarà certamentenotato che il modello di [fig.3] riporta in grigio anche unaltro componente e il model-lo di [fig. 5] ne riporta un al-tro ancora in nero.Il primo è l’anima tubolare inacciaio Inox di un montanteanteriore pre-esistente e vin-colato allo scafo, che forniràal tetto il terzo punto d’ap-poggio. Il secondo è il telaiodel parabrezza dello scafo, sucui il montante anteriore equindi l’anima d’acciaio siappoggia.Quindi sarà anche l’anima inacciaio che trasmetterà ilcarico dal tetto sullo scafo;nondimeno, parte di taleazione si scaricherà sul telaiodel parabrezza.È compito dello strutturistaconsiderare nella simulazio-ne anche questi due compo-nenti pre-esistenti e comuni-care eventuali criticità a se-guito dell’applicazione delcarico di progetto; benché, arigore, non faccia parte del-l’oggetto iniziale del suo stu-dio. Ecco che quindi il mo-dello virtuale “congelato”con i suoi vincoli sarà quellodi [fig. 6]: • il tetto rigido in composito

oggetto della progettazionevera e propria,

• l’anima in acciaio• il telaio del parabrezza in

composito, di cui verifi-

for granted and no longerchangeable, once they havebeen acquired and accepted.As for the component “underdebate”, the loading condi-tions can be conceived as astatic and even pressure,acting upright downwardson the whole upper part ofthe top, illustrated by thegreen surface of [fig. 5].This seems to be in line withthe major nautical certifica-tion standards: ISO andGermanischer Lloyd to men-tion a few.The model has been con-

strained according to the sixdegrees of freedom in threedistinct areas, at the foot ofthe rear struts and on thefront part. In fact it is assu-med that the underlying hullfeatures several orders ofstiffness magnitude, beinghigher than the hard-top.The front part of the topdeserves a deeper insight. Ofcourse, it has been noticedthat the model represented in[fig. 3] shows another greycomponent and the model of[fig. 5] shows another onebeing black.The first one is the inox steeltube core of a pre-existingfront strut which is connec-ted to the hull and which pro-vides the top with the thirdpoint of support.The second one is the hullwindscreen frame where thefront struts and so the steelcore rests. Therefore, it isthe steel core, which brings

about the loading actionfrom the top on the hull;nevertheless, partially thisaction is unloaded on thewindscreen frame. The structural analyst’s taskis to take into account alsothese two pre-existing com-ponents during the simula-tion step and to communica-te possible critical factorsafter the application of thedesign load, although, ac-tually, it is not part of the ini-tial studying.Thus, the virtual freezedmodel with its constraints is

the one shown in [fig. 6]:• the composite hard top to

be designed• the steel tube• the composite windscreen

frame whose integrityshould be checked for theapplied design load.

To briefly summarize thematter, the first part of a fini-te element analysis is theconstruction of a virtualmodel: the CAD format issupplied by the customerand, upon request, it is pro-perly modified.The interactions with otherpre-existing structures areevaluated. Finally, the loa-ding and constraint condi-tions are hypothesised; theyhave to be then accepted byeveryone.

Characterisation of thecomponent performancesThe hard top is characterisedin terms of static strength,

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[Fig. 5] - Area di carico evidenziata in verde. Oltre all’anima metal-lica appare un altro componente, il telaio del parabrezza sottostanteil tetto rigido, la cui integrità sotto il carico di progetto deve essereaccertata / The loading area is green coloured. Besides the metal coreanother component appears the windscreen frame under the hard topwhose integrity under the working load should be ascertained

[Fig. 6] - Considerando lo scafo di diversi ordini di grandezza piùrigido, il tetto, l’anima e il telaio sono stati tutti incastrati ai loroappoggi / Considering that the hull is several orders of magnitude stif-fer, the top, the steel core of the strut and the frame have been all fixedto their supports

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carne l’integrità al caricoapplicato.

Riassumendo, la prima partedi uno studio agli elementi fi-niti prevede la realizzazionedel modello virtuale: se ne ri-ceve dal committente un for-mato CAD, se necessario lo simodifica opportunamente. Sivalutano interazioni con altrestrutture pre-esistenti. Poi, siipotizzano modalità di carico edi vincolo che devono essereaccettate da entrambe le parti.

Caratterizzazione delle pre-stazioni dei componentiIl tetto rigido è caratterizzatoin termini di resistenza statica,si deve avere comunque più diun occhio di riguardo sulla ri-gidezza. Questa è esplicitatanella freccia verticale verso ilbasso che si ha nella zona an-teriore del modello dove, co-me abbiamo già visto, il tettointeragisce con altri due com-ponenti. Per ultimo, se ne de-ve valutare il peso.Per quanto riguarda il tettorigido ed il telaio del para-brezza in materiale composi-to, il criterio di resistenza pre-so in esame è quello di Hill. Adifferenza del forse più notocriterio di massimo stress, ilprimo prende in considerazio-ne tutti i diversi tipi di solleci-tazione che in verità accadonocontemporaneamente su diuna lamina. Il risultato di ciò è

che risulta più con-servativo delsecondo.È basato sul crite-rio di Von-Misesper materiali iso-tropici. Affinché ilcalcolo non preve-da rottura su alcunalamina, il FailureIndex secondo Hilldeve risultare infe-riore all’unità.Invece, per il pezzoin acciaio di cui sideve verificare l’integritàstrutturale, si è considerata latensione equivalente di VonMises.Quindi, affinché il pezzo nonsi deformi permanentemente,tale valore deve risultare infe-riore al carico unitario di sco-stamento dalla proporziona-lità dell’acciaio in questione.In questa seconda fase si deci-de quindi come caratterizzarele prestazioni dell’oggettodello studio.Nel caso specifico si ritieneche il componente non si deb-ba rompere in nessuna singo-la lamina di composito e nonsi debba deformare perma-nentemente nella sua partemetallica.

Analisi di sensibilitàL’analisi di sensibilità è forseil cuore di tutto lo studio. Ilsuo obiettivo è di trovare le

however it is ne-cessary to be verycareful while exa-mining the stiff-ness rate.This is shown bythe downward de-flection, which isfound in the frontarea of the model,where the top inte-racts with othertwo components,as mentioned abo-ve. Finally, itsweight should beevaluated.As far as the com-posite hard topand the wind-screen frame areconcerned, the re-sistance criterion,

which has been taken intoaccount, is the one by Hill.Contrary to the better knownultimate stress criterion, thefirst one considers all the va-rious types of stresses, whichactually take place simulta-neously on a laminate.As a result, this shows to bemore conservative than thesecond one.It is based upon the Von-Mises’ criterion for the iso-tropic materials. To preventthe failure on any laminate,the Failure Index accordingto Hill should be lower than1. On the contrary, as forthe steel piece where thestructure integrity should beverified, the Von Mises’equivalent strength has beenconsidered.To avoid the permanentdeflections of the piece,such a value should be lo-

wer than the yeld stress ofthe steel under study.In this second working step,it is decided how to charac-terise the performance of thesubject studied. In this speci-fic case, it is thought that thecomponent should not under-go any failure occurrence onany single lamina and that itshould not undergo any per-manent deflection on itsmetal part.

Sensitivity analysisThe sensitivity analysis isprobably the key of the enti-re studying.Its objective consists in fin-ding the way leading to theideal solutions: “ideal” com-pared with the designer’sand the client’s needs as

well as of the componentproducer. According to the“total quality” concept,everybody should deserve tesame attention.Usually, the first aims at thebest compromise betweenresistance, stiffness and wei-ght so as to meet all hisworking needs, while thesecond would like it to be aslighter as possible for cleareconomic reasons.Finally, the third one isprone to ask for the easiestsolution to be technological-ly handled in order to mini-mise the construction timeand costs, thus providing thebest offer to the client. It isexactly in this case that theFEM calculation finds one ofthe most adequate areas ofapplication in the industrialproduction.In fact, with the virtual mo-

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[Fig. 7] - Tabella che riporta tutte le informazioni riguardanti le diverse soluzionicon un grafico che le riassume secondo i tre parametri di giudizio scelti / Table repor-ting all the data about the different solutions having a graph summarising them accor-ding to three selected evaluation parameters

[Fig. 8] - Tabella che racchiude i tre parametri in un unico indice di prestazione con-frontabile con la soluzione 1 di partenza / Table reporting three parameters in onlyone performance index which can be compared with the starting solution no. 1

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strade che portino alla solu-zione ideale: ideale rispettoalle esigenze dello strutturi-sta, del committente e di chiproduce il componente. Secondo il concetto dellaqualità totale, tutti dovrebbe-ro essere degni della medesi-ma considerazione. Di solito,il primo vuole il miglior com-promesso tra resistenza, rigi-dezza e peso in modo da tro-vare piena soddisfazione nellavoro che fa. Mentre il se-condo lo vorrebbe il più leg-gero possibile, per evidentiragioni di costo. Il terzo, infi-ne, tende a chiedere la solu-zione più facile da gestire alivello tecnologico per poterminimizzare costi e tempi direalizzazione, fornendo la mi-glior offerta possibile. Eccoche qui il calcolo FEM trovaforse una delle sue più valideapplicazioni a livello di pro-duzione industriale. Infatti,non si vuole con il modellovirtuale riprodurre fedelmen-te la realtà del fenomeno, am-messo che ciò sia possibile;piuttosto, si vuole uno stru-mento che possa coglierne gliaspetti fondamentali.Una volta che il modello èstato valutato positivamenteda questo punto di vista, saràrelativamente facile e velocevariarne i parametri costrutti-vi. Potrà essere quindi imme-diato confrontare le diversesoluzioni e interpretare lemigliori.In [fig. 7] viene riportato unesempio di analisi di sensibi-lità. Con ciò si vuole condi-videre un metodo, piuttostoche mostrare i freddi risulta-ti. In particolare, si riporta latabella delle soluzioni ed ungrafico che le riassume. Latabella ha 4 macro-colonne:la prima a sinistra che le nu-mera semplicemente, la se-conda che brevemente le de-scrive nei suoi parametri co-struttivi. Come si vede si so-no considerati la densità e lospessore del sandwich e sonostate ipotizzate varie tipolo-gie di rinforzo. La terza co-lonna riassume il peso in 4sotto-colonne e l’ultima leprestazioni in 7 sotto-colon-ne; per semplicità si conside-

rino le due colorate. Inoltre,il grafico confronta le solu-zioni nei 3 aspetti fondamen-tali che possono andare arappresentare i bisogni sopraelencati. Si ha:1. la quantità di laminato

presente nella struttura amisura del suo peso ecosto,

2. la freccia massima a misu-ra della sua rigidezza

3. l’indice di rottura massi-mo (calcolabile diretta-mente dal failure indexsecondo Hill) che può mi-surare la resistenza dellastruttura.

In questo modo, tutti i risulta-ti ottenuti sono, forse, di faci-le consultazione. Sicuramentenon si è in grado di valutarevisivamente la migliore dellesoluzioni dovendo incrociarei 3 aspetti sopra descritti perle 8 diverse ipotesi.Ecco che quindi può essereutile un ulteriore grafico cheelabori i dati riassunti e dia leinformazioni volute. Infatti,per la soluzione generica sicalcola un indice di presta-zione che consideri contem-poraneamente la percentualedi laminato, la freccia massi-ma e l’indice di rottura ri-spetto alla soluzione di par-tenza. Inoltre, si consideradoppio il contributo del pri-mo aspetto: la presenza dipre-preg. Tale grafico è ri-portato in [fig. 8] e presenta8 colonne a misura dell’effi-cienza di ciascuna soluzione.La soluzione 1 di partenzapuò essere presa come riferi-mento ed assume infatti va-lore unitario. Il grafico ci di-ce, ad esempio, che lo spes-sore del sandwich è più in-fluente della sua densità: so-luzione 2 che assume un in-dice di prestazione pari a1,38 contro soluzione 8 chedà un valore di 1,47. Se que-sto può essere facilmente pre-vedibile, questo grafico è an-che utile nel capire che rad-doppiare l’altezza del sand-wich (soluzione 8) sembraessere più conveniente chestendere un altro strato di la-minato su tutto il tetto (solu-zione 3). Oppure, rinforzarelocalmente ai bordi del tetto

del the designer’s aim is notto reproduce carefully thephenomenon itself, assumingit is possible, but to find atool which can detect thefundamental factors of it.Once the model has beenevaluated positively fromthis point of view, changingthe construction parameterswill be a relatively easy andfast operation.Therefore, it will be possibleto compare immediately thedifferent solutions and tointerpret the best ones.[Fig. 7] shows an example ofthe sensitivity analysis. Inthis way a method is to beshared, rather than to showjust the results.Typically, the table of thesolutions and a related graphare reported. [Tab. 4] shows4 macro-columns: the firstone on the left shows thelisting numbers of the solu-tions, and the second onebriefly describes their con-struction parameters.As it can be seen, the sandwi-ch density and thicknessrates are taken into accountand various types of reinfor-cements have been hypothe-sised. The third column re-ports the weight in 4 subco-lumns and the last one re-ports the performances in 7subcolumns; to make thematter simpler, the two co-loured columns should beconsidered, i.e.:1. the laminate quantity

found in the structure asa function of its weightand cost,

2. the maximum camber as afunction of its stiffness and

3. the maximum failure index(which can be calculateddirectly from the failureindex according to Hill)which can measure thestructure strength.

Thus, all the results obtainedcould be easy to consult. Ofcourse, it is not possible toevaluate visually the bestsolution, as the three above-mentioned factors should becross-examined according tothe 8 different hypotheses.So, it may be useful to plotanother graph working out

the summarised data provi-ding as well the pieces ofinformation required. Actually, as for the generalsolution, a performance in-dex is calculated taking intoaccount at the same time thelaminate ratio, the maximumdeflection and the failureindex compared with thestarting solution. Furthermore, favouring thecustomer, the first factordealing with the amount ofpre-preg is doubled. Such agraph is reported in [fig. 8]and it shows 8 columns as afunction of the efficiency ofeach solution.The starting solution no. 1can be taken as a referenceand, actually, it assumes aunit value. The graph shows,for example, that the sandwi-ch thickness rate is moreimportant than its density:the solution no. 2 assumes aperformance index beingequal to 1,38 against the so-lution no. 8 providing a va-lue of 1,47.If this can be generallyexpected, this graph is alsouseful to realise that dou-bling the sandwich height(solution no. 8) seems to bemore useful than laying upanother laminate layer on theentire top (solution no. 3).Otherwise, reinforcing lo-cally on the top edges (solu-tion no. 6) seems to be theway to lead, rather than toprovide large reinforce-ments along all its length(longitudinal reinforcementof the solution no. 4) or itswidth (cross reinforcementof the solution no. 5).As a whole, the sensitivityanalysis is used to show theway to lead in search of thebest solution.Obviously, this depends onthe factors, which are takenas a reference. These factorscannot be taken as a generalrule, but they should gobeyond the analysis of theneeds involving three rivalsubjects: designer, client andconstructor.Turning the need into a ma-gnitude, which can be mea-sured, could be the most dif-

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(soluzione 6) sembra esserela strada da seguire, piuttostoche prevedere ampi rinforzilungo tutta la sua lunghezza(rinforzo longitudinale dellasoluzione 4) o la sua larghez-za (rinforzo trasversale dellasoluzione 5).Complessivamente, l’analisidi sensibilità serve ad indi-carci la strada da seguire allaricerca della migliore solu-zione. Ciò ovviamente di-pende dagli aspetti che siprendono come riferimento.Questi non possono esseregeneralizzati, ma devonouscire da un’analisi dei biso-gni che coinvolge tre “con-tendenti”: strutturista, clientee produttore.Tradurre il bisogno in unagrandezza misurabile è forsel’aspetto più delicato. Si èvoluto qua fornirne un esem-pio: quantità di laminato, frec-cia massima e indice di rottu-ra massimo. La scelta ottima-le dei parametri costruttivi, inquesto caso spessore e densitàdel laminato e tipologia di rin-forzo, dipenderà dal grado disoddisfazione dei tre requisitiappena ricordati.

Esposizione dei risultatiConclusa l’analisi di sensibi-lità si possono esporre i risul-tati ottenuti. Questi possonoessere suddivisi in tante partiquanti sono gli aspetti che sisono presi a riferimento nellaricerca della soluzione idea-le. Nel nostro caso si è tratta-to di resistenza, rigidezze, epeso. Per le prime due entra-no in gioco le colorate map-pe dei valori che, forse a tor-to, sono spesso considerate ilfulcro dell’analisi FEM. Per

il peso ci si riferisce sempli-cemente dal dato fornito dalmodello virtuale, avendo in-trodotto correttamente i valo-ri delle densità dei materiali.Per quanto anticipato, perprima cosa si dovrà mostrareche ciascun componente incomposito non arrivi a rottu-ra: nel nostro caso il tettooggetto dello studio di par-tenza e il telaio del parabrez-za inserito successivamentenella simulazione. Un esem-pio di mappa dei valori deiFailure Index secondo Hill èin [fig. 9]; si conferma che ilpunto più critico del telaio èovviamente dove il montanteanteriore si appoggia.Comunque il calcolo ci diceche siamo in buona sicurez-za; infatti, la tabella in alto adestra indica un massimoFailure Index di 0,14. Daquesto valore si può risalireal coefficiente di sicurezzaper il modello, quando sog-getto al carico di progetto. Èbene che questo valore vengadichiarato, perché può rias-sumere meglio di qualsiasimappa la bontà della lamina-zione proposta. Analogo di-scorso può essere fatto per ilcomponente metallico chenon si deve deformare per-manentemente. La mappa deivalori sarà relativa alle ten-sioni equivalenti di Von Mi-ses con indicato, ancora unavolta, il massimo.In termini di rigidezza, si do-vrà fornire la mappa deglispostamenti e dichiarare espli-citamente i valori nei puntiche si ritengono più interes-santi, non limitandosi al solovalore massimo.Nel nostro caso si sono consi-

ficult task. An example isgiven: the quantity of lami-nate, the maximum deflec-tion and the maximum failu-re index.The optimal choice of theconstruction parameters, inthis case the laminate thick-ness and the density as wellas the reinforcement type,will depend on how thesethree requirements are met.

Presentation of the resultsOnce the sensitivity analysishas been concluded it is pos-sible to display the resultsobtained. These results canbe broken down into as manyparts as the number of fac-tors, which have been takenas a reference searching forthe ideal solution.In this case, it was the resi-stance, the stiffness and theweight. As for resistance andstiffness, the coloured mapsof values, which are oftenconsidered as the key pointof the FEM analysis, aretaken into account.As for the weight, the datumsupplied by the virtual modelis referred to, having intro-duced properly the materialdensity values.As from it was said above,first of all it should be provedthat each composite compo-nent does not undergo anyfailure: in this specific casethere are the top examined inthe beginning and the wind-screen frame which was

introduced afterwards in thesimulation test.An example of the map inclu-ding the failure index testaccording to Hill is given in[fig. 9]; it is confirmed thatthe most critical point of theframe is obviously the sitewhere the front strut camesinto contact.However, the calculationshows that there is a goodmargin of safety, and, in fact,the table above on the rightshows a maximum index fai-lure equal to 0.14.From this datum it is possi-ble to find the coefficient ofsafety for the model when itis subject to the design load.This coefficient of safetyshould be declared becauseit can summarise better thanany other map, the suitabilityof the suggested lamination.The same should be done forthe metal component, whichshould not yield.The value map is related tothe Von Mises’ equivalentstresses, again with theindication of the maximumvalue.As far as the stiffness is con-cerned, it is also necessary toprovide the deflection mapand to state plainly the datain the sites which are consi-dered as the most interestingones, not restricted simply tothe maximum value.In this specific case, thepoints where the top and fra-me structures can be subject

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[Fig. 9] - Mappa dei Failure Index secondo Hill sul telaio del para-brezza, in chiaro le zone più sollecitate. In alto a destra, la scala deivalori con il massimo raggiunto / Failure Index map according to Hillon the windscreen frame, where the most stressed area are light colou-red. On the right above, the value scale with the maximum reached

[Fig. 10] - Esempio di mappa degli spostamenti in Z. I valori negati-vi in tabella indicano che il verso è opposto al sistema di riferimentoriportato a sinistra. Nei riquadri i valori più significativi / Exampleof the deviation map in Z. The negative value in the table shows thatthe direction is opposed to the reference system reported on the left. Inthe boxes the most meaningful value are reported

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derati i punti dove le strutturetetto e telaio possono andare ininterferenza; vedi [fig. 10].Commentando brevementela mappa, si può dire che glispostamenti maggiori sonostati nella direzione Z versoil basso e localizzati nellaparte anteriore del tetto. Inparticolare, si sono avuti agliangoli che coincidono con lezone più lontane da ogniforma di appoggio.Vale anche la pena far notareche la mappa degli sposta-menti non è perfettamentesimmetrica, benché siano taligeometria e carico applicatosu di essa. Ciò è dovuto a so-luzioni tecnologiche riguar-danti la divisione della sotto-parte copertura; la lamina-zione nelle relative zone d’in-collaggio fanno una metà piùrigida dell’altra.Infine si deve fornire una stimadel peso considerando che ilmodello, ad esempio, non tieneconto della fase di verniciatura.Infatti sia che si voglia unasuperficie con il carbonio a vi-sta che verniciata, questa ha bi-sogno di essere trattata constrati di materiali, che sicura-mente vanno ad influire sul pe-so finale. Inoltre sono da consi-derare le sovrapposizioni tec-nologiche quando si stendono ilaminati. In particolare perquesto componente, si dovràtener conto anche del film ade-sivo necessario ad incollare leampie superfici dei laminati alsandwich a nido d’ape. Tuttiquesti valori sono stimabili, so-prattutto grazie all’esperienza.Sarebbe quindi preferibile di-chiarare il peso dato dal mo-dello virtuale ed ipotizzarequell’aliquota di cui il calcolonon tiene conto: nel nostro ca-so strati di verniciatura, so-vrapposizioni ed adesivi.Riassumendo brevemente,questa fase può essere pensa-ta come esposizione di ciòche si è ottenuto in termini diprestazioni del componente,ottenuta grazie ai risultatidell’analisi di sensibilità.

Definizione di un lay-upfinaleLo scopo ultimo di ogni stu-dio di engineering su compo-

nenti in materiale compositoè la definizione di un lay-up,ossia di una sequenza deglistrati di laminazione.Lo strutturista deve infattiprevedere non solo quali equanti laminati utilizzare, mapensare sin dall’inizio al mo-do più efficiente in cui questipossano essere disposti insequenza sullo stampo.Ovviamente, soprattutto perragioni di esperienza sul cam-po, esso non può pensare disostituirsi al “tecnologo” dilaminazione, ossia a quellafigura responsabile di questofase della produzione.Comunque deve fornirequelle indicazioni per cui ilmodello fisico riprenda il piùpossibile quello virtuale.Gli strati generali su tutta lasuperficie in genere nondanno grosse complicazio-ni; più attenzione dovràessere invece rivolta a comee quando disporre eventualiinserti metallici, strati loca-lizzati di rinforzo e fogli disandwich.Come detto, è bene che illaminatore si attenga a que-ste indicazioni affinché ilcomponente reale sia il piùpossibile fedele a quello vir-tuale, specialmente per quan-to riguarda la rigidezza.Allo stesso modo, è doveredello strutturista proporresequenze realizzabili e snel-le in modo da favorire i tem-

to interferences have beenexamined [fig. 10].Briefly commenting the map,it could be stated that themajor deflections are towardthe Z direction downwardsand localised on the frontpart of the top.Particularly, they are at thecorners matching the mostfar away areas from any sup-port. It is worth remarkingthat the deviation map is notperfectly symmetrical al-though the geometry and theapplied load actually are so.This is due to the technologi-cal solutions concerning thedivision of the top.The lay-up in the relatedoverlapping bonding areasmakes one half of it stifferthan the other one.Finally, an estimate of theweight should be provided,given that the model, forexample, does not take intoaccount the painting phase.In fact, both in the case of a“carbon look” surface or ofa painted one are sought, thesurfaces itself need to betreated with some coatingwhich certainly influencesthe final weight. Furthermore, the technologi-cal overlapping occurringwhile laying up the laminatesshould be considered. In thisparticular component, theadhesive film too, which isrequired to bond the large

surfaces of the laminates tothe honeycomb core, shouldbe taken into account.All this data can be appre-ciated mainly thanks to theexperience. So, one wouldrather declare the weight ofthe virtual model and hy-pothesise the aliquot whichhas not been examined du-ring the calculation step,that is, in this specific case,the painting coatings, theoverlapping layers and theadhesives.Briefly, this working step canbe conceived as showingwhat has been obtained interms of component perfor-mances, been provided bythe sensitivity analysis.

Definition of a final lay-upprocessThe scope of every enginee-ring analysis dealing withcomposite materials is thedefinition of a lay-up i.e. thesequence of the laminationlayers.Actually, the designer shouldforesee not only which oneand how many laminateshave to be used, but alsothink from the beginning themost efficient way these canbe arranged in sequence onthe mould.Obviously, mainly due tothe experience on the field,he cannot think to replacethe laminator, who is re-sponsible for this produc-tion step.However, he should providethose data in order for thephysical model to match asmuch as possible the vir-tual model.The general layers on theentire surface do not bringabout serious problems. Mo-re attention should be paid tohow and when to arrangepossible metal inserts, loca-lised reinforcement layersand sandwich laminates.As mentioned above, thelaminator would rather relyon this data to make the realcomponent as much thesame as the virtual one,especially as far as the stiff-ness is concerned. Similar-ly, the designer should also

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[Fig. 11] - Sequenza di laminazione suggerita per i rinforzi della zona dicollegamento meccanico dei montanti posteriori sulla copertura /Sequence of lamination suggested for the reinforcements of the mechani-cal connecting area of the rear struts on the cover

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pi e costi di produzione.Un esempio d’informazioneche lo strutturista può fornireè in [fig. 11]. Si tratta dellasequenza di laminazione deirinforzi sul sotto gruppocopertura, là dove verrannocollegati meccanicamente imontanti posteriori.I risultati dichiarati si sonoottenuti disponendo, dopo illaminato generale verde, pri-ma uno strato di rinforzo (co-lore rosso), poi il foglio dihoneycomb (strato giallo) edinfine un secondo strato. Inoltre, viene evidenziatol’angolo di riferimento chepuò servire a collocare tali“pezze” con precisione.

ConclusioniUn’attività di calcolo struttu-rale agli elementi finiti èstata applicata ad un compo-nente in materiale compositoavanzato pensato per la nau-tica da diporto.L’oggetto in questione si ècosì potuto ottimizzare te-nendo conto delle esigenze

del cliente e di chi lo produ-ce. Lo strutturista gioca unruolo chiave in questa otti-mizzazione.Infatti, si deve far carico ditrasformare i desideri ingrandezze misurabili.Deve quindi individuare unaserie di parametri costruttiviche caratterizzino le diversesoluzioni. Sono queste che ilcalcolo computazionale rie-sce a gestire piuttosto age-volmente.Si deve poi riordinare talemole di dati in modo che in-dichino la strada da seguireverso l’ottimizzazione. In-fine, la scelta effettuata deveessere confermata dai risul-tati ottenuti.Questi possono essere divisiin due sotto-parti: prestazio-ni e fattibilità del processo dilaminazione.L’autore sarà lieto di ap-profondire e condividere coni lettori eventuali osservazio-ni e commenti.A tal scopo, si prega di con-tattare la redazione.

suggest feasible and simplesequences so as to speed upand to save money in the pro-duction process.An example of the piece ofinformation, which the desi-gner can provide, is shown in[fig. 11].It is a sequence of the rein-forcement lamination on thecover subgroup, where therear struts will be mechani-cally fastened.The results have been obtai-ned arranging after the ge-neral purposes green la-minate, firstly a reinforce-ment layer (red coloured),then the honeycomb layer(yellow coloured) and finallya second reinforcement layer.Furthermore, the referenceangle is highlighted. In fact,it can be used to place suchpatches precisely.

ConclusionsA computer aided enginee-ring activity has been ap-plied to an advanced compo-site component designed for

the recreational boat use. Ithas been optimised takingcare of the customer’s needsand of those who produce it.The designer plays a key rolein this optimisation process.Actually, he should performthe task of identifying a se-ries of design parameterswhich characterise the diffe-rent solutions and which canbe handled through a relati-vely easy computational cal-culation.Such an amount of datashould be put in order so asto find the best way leadingthe optimisation process.Finally, the choice carriedout should be reconfirmedby the results obtained. These can be broken downinto two sub-parts: perfor-mances and feasibility of thelamination process.The author would be glad tofurther discuss and sharewith the reader’s observa-tions and commentaries.To do so, please, contact theeditorial office.

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