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Floriano Bonfigli

I materiali compositi avanza-ti sono ampiamente utilizzatinel mondo della nautica soloai più alti livelli di competi-zione e lusso [fig. 1].Probabilmente ciò è dovutoall’alto costo delle materieprime e dei processi manifat-turieri coinvolti.Tuttavia, oggigiorno, c’èun grosso interesse nell’e-stenderne l’utilizzo. Si cre-de che soltanto un processodi progettazione razionalesia l’unica via percorribile.A tal fine, un’accurata co-noscenza di tutta la que-stione materiali compositiè considerata un vantaggio.Questo è il motivo per cuiil progetto di un albero nonstrallato a profilo alare perun’imbarcazione da dipor-to carrellabile [fig. 2] èstato riconosciuto come unideale, innovativo e stimo-lante argomento per unatesi dell’unico Master ofScience in materiali com-positi, tenuto presso il Di-partimento d’Aeronautica

dell’Imperial College diLondra.Per meglio chiarire, un al-bero non strallato a profiloalare è un albero non sup-portato da alcun cavo e libe-ro di ruotare.Prima di tutto, un albero delgenere è più semplice dafissare sullo scafo. Senza ca-vi, crocette e relativi acces-sori, verificarne periodica-mente la stabilità è anchepiù facile e veloce. In so-stanza, questo è finalmentepraticabile.Ne segue che tael struttura èdi per sè più sicura per i na-viganti [fig. 3]. Inoltre, se-guendo la direzione del ven-to in arrivo, la sua sezioneaerodinamica rende la velamaestra molto più efficien-te. È stato riportato che imiglioramenti possono ar-rivare fino al 30%. Ecco chel’albero non apparirà più altimoniere come una sempli-ce ingombrante asta, ma, alcontrario, una forza propul-siva in più.

Advanced composite mate-rials tend to be widely usedin the sailing world only atthe most competitive or lu-xury level; see [fig. 1]. Thisis probably due to the pri-cey raw materials as well asto the manufacturing pro-cesses needed.However, nowadays, there isa lot of effort to extend theirapplication to a lower de-gree. It is believed that onlya rational design process isthe right way to track. Inorder to do so, a soundunderstanding of the wholecomposite matter is conside-red beneficial. This is whythe design of a compositefree standing wing mast for arecreational cat-boat, see[fig. 1], has been reckonedas an ideal, innovative andchallenging topic for theMaster thesis of the uniqueMSc in Composite Materialsheld at the Aeronautics De-partment of the esteemed

Imperial College of London.To expand, a free standingwing mast is an un-stayedand free to rotate mast. Firstof all, such a mast is simplerto secure on the hull. Withoutrods, spreaders and relativefittings verifying periodicallyits firmness is easier andfaster. Basically, it is nowpossible. Therefore, this typeof mast is inherently safer forthe crew; see [fig. 3].In addition, by being able tofollow the direction of thecoming airflow, its aerody-namic cross-section makesthe mainsail much moreefficient. It has been repor-ted that improvements areup to 30%.Actually, a wing mast whichcannot rotate is basicallyuseless from this point ofview. The mast will no lon-ger appear to the helmsmanas an unfriendly column butas an additional propellingforce instead.

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Un albero non strallato

a profilo alare per una

barca carrellabile

A free standing

wing mast

for a trailer cat-boat

[Fig. 1] - L’America’s Cup è probabilmente il campo d’adde-stramento principale per i materiali compositi avanzati appli-cati alla nautica / The America’s Cup, probably the most famoustraining camp for the advanced composite materials applied tothe sailing world

[Fig. 2] - Rendering della barca per cui l’albero è stato pensa-to / The concept boat for which the mast has been thought

Ogni architetto navale do-vrebbe guardare di buon oc-chio agli alberi non strallati.Essi consentono molti piùspazi liberi sul ponte e quin-di nuove soluzioni per quan-to riguarda la distribuzionedegli stessi.In definitiva, le persone abordo potrebbero avere mol-to più spazio a loro disposi-zione. In tal contesto, i mate-riali compositi avanzati sonoconsiderati come la sceltapiù ovvia, considerando nonsolo la leggerezza e le pro-prietà meccaniche richiestedalla struttura albero, maanche per ragioni di prestigioed immagine che ricadrebbe-ro sul proprietario.Come già anticipato, tutta-via, la progettazione con imateriali compositi non ècosì scontata.Infatti, il lavoro progettualeè iniziato con un’indagineapprofondita dei più idoneiprocessi di produzione equindi materie prime daadottare.È stato trovato che ciò dipen-de principalmente dalla resi-na. In verità quindi, l’esosometodo dell’autoclave puòessere evitato.Al contrario, il sistema piùeconomico del sacco a vuotoseguito da un processo di po-limerizzazione a bassa tem-peratura sembra possibile,anche in considerazione del-le proprietà meccaniche ri-chieste dal laminato.A conferma di quanto det-to, vale la pena di ricorda-re il forse noto MirabellaV. Questo mega yacht haun albero convenzionalealto 90 m, costituito da 5parti differenti.Per produrre ciascuna diesse, delle coperte riscal-danti incorporate nellostampo stesso crearono lecondizioni termiche richie-ste localmente, mentre iltipico processo del saccosottovuoto si occupò dicomprimere i laminati.Ritornando quindi all’albe-ro non strallato a profiloalare, la fibra rinforzante èstata scelta tenendo contodelle ampie deformazioni

trovate di solito in questotipo di strutture.In questa prospettiva, primadi tutto dovrebbero essereprese in considerazione lefibre di carbonio ad altomodulo.In questa fase del progetto,tuttavia, data l’ampia scel-ta che i produttori di fibrepossono fornire non è statopossibile definire l’effetti-va entità del modulo neces-sario. Per la sezione tra-sversale dell’albero, grazieall’applicazione dei principibase dell’aerodinamica, èstata scoperta una formapiuttosto originale.Per valutare la più perfor-mante, è stato adottato unprogramma per l’analisi diprofili aerodinamici bidi-mensionali subsonici, ba-sato sul codice di calcoloX-Foil.Quindi, confrontando oltre170 profili simmetrici asorpresa, il risultato emer-so non è stato una sezioneappartenente alla ben notaclassificazione NACA.In aggiunta a ciò, è statoproposto un sistema perottimizzare la qualità delflusso uscente dall’alberoed entrante sulla vela.Avendo a disposizione la se-zione trasversale, a questopunto l’albero potrebbe esse-re modellato prima di tuttotenendo conto all’analisistrutturale classica, per mate-riali omogenei e isotropi.Si è capito che anche a que-sto livello d’approssimazio-ne, i calcoli potrebbero es-sere meglio gestiti con unfoglio di calcolo Excel. Èstato realizzato, infatti, unfoglio di lavoro ripartito incinque sezioni.Una serie di specifiche deveessere dichiarata, tra cui laforza del vento, la geome-tria dell’albero e della vela,il modulo della fibra, ladensità di tutto il compositoe il numero di strati richiestiper ottenere un laminatoquasi-isotropo.Di conseguenza, il fogliopuò suggerire graficamentela sezione trasversale piùpiccola e il numero minimo

Every naval architect shouldlook with favour upon freestanding masts. They allowmuch more room on decksand therefore innovativesolutions in terms of lay-out.Basically, people on boardcould have much more spa-ce to enjoy. In this context,advanced composite mate-rials are seen as an obviouschoice, regarding not onlythe lightness and the mecha-nical properties requestedby the structure but alsoconcerning the image calcu-lation for the owner of thecat-boat. However, as mentioned abo-ve, designing componentsmade of composite materialsis not very straightforward.In fact, the project startedwith a severe investigation ofthe most suitable productionprocess and hence raw mate-rials to adopt. Particularly, the resin systemwas found to depend on it.Actually, the very expensiveautoclave method could beavoided. On the other hand,the cheaper vacuum baggingfollowed by a low temperatu-re curing method seems sui-table, even in terms of themechanical properties re-quested for the laminate.In support of that, it isworth mentioning just thewell known Mirabella Vproject. This mega yachthas a 90m long conventio-nal mast composed by 5 dif-ferent parts.For each of them, heaterblankets built into the mould

created the required tempe-rature locally while a con-ventional vacuum processdebulked the laminates. Coming back to the freestanding wing mast, thecontinuous reinforcementwas chosen by taking intoaccount the large deforma-tions typically encounteredin such structures.If so, high modulus carbonfibres should firstly be con-sidered. At this stage of theproject, given the widerange of products providedby fibre manufacturers, sta-ting how much high themodulus should be was notpossible.For the mast cross-section,quite an innovative formwas discovered by applyingthe Aerodynamics princi-ples. To find out the mostperforming, a program forthe analysis of subsonic iso-lated airfoils based on theX-Foil code had been run.Afterwards, by comparingover 170 symmetrical sha-pes, quite surprisingly, theresult was not one of thewell known NACA sections.In addition, a system foroptimizing the quality of theflow leaving the mast andencountering the sail wasproposed.By knowing the cross-sec-tion geometry, at this stage,the mast could firstly bemodelled according to theclassical structural analysisfor homogeneous and iso-tropic materials. It has beenfound that even at this very

[Fig. 3] - Con un albero fissato in chiglia, ci sono solo due puntiabbastanza accessibili da ispezionare / With a keel stepped mast,there are just two quite accessible points to check

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di stratificazioni.Quindi mostra l’albero piùleggero in grado di sopporta-re le condizioni di caricomodellate in base ad unapproccio classico.Tale approccio fa riferimentoad una trave incastrata asbalzo. Il carico è dato dallapressione esercitata dal ventosulla vela. Finora, tuttavia,questo è stato distribuitouniformemente ed applicatolateralmente per tutto l’albe-ro [fig. 4].Tutto ciò è stato ritenuto unbuon punto di partenza perlo studio ed ingegnerizza-zione finale mediante l’ana-lisi FEM. Il supporto di ungruppo già coinvolto inquesto tipo di simulazioni èstato considerato essenzialeper svolgere in modo pro-fessionale questa parte delprogetto.Dopo una ricerca nell’am-bito dell’industria europeadei materiali compositi,ATR Group (Italia) è statoquindi ritenuto un partnersia competente che affida-bile. Si è rivelato poi ancorpiù prezioso fornendo quelbagaglio di conoscenze le-gate al mercato dei compo-siti, oggi indispensabile intutti questi tipi di progetti,anche a livello accademicooggigiorno.Cogliamo qui l’occasioneper ringraziare la divisioneATR Engineering.

Proseguendo, in primo luo-go, è stato studiato un model-lo d’interazione albero-velaprobabilmente più fedele allecondizioni operative reali,per poi confrontarlo con ilmetodo classico sopra men-zionato.Nella realtà, infatti, i carichisono trasferiti dalla velaall’albero tramite il binariodove essa alloggia.Inoltre, le vele hanno com-portamenti membranali, enon sono in grado di soste-nere né momenti flettentiné carichi di compressione.È stata adottata quindi unasoluzione innovativa perl’azione reciproca albero-vela, tenendo conto di que-sti due punti fondamentali.Questa può mostrare nuovecaratteristiche comporta-mentali dell’albero in pre-cedenza nascoste dal vec-chio metodo. Ciò dovrebbeindurre a prendere decisioniprogettuali più consapevoliin futuro. Un esempio di que-sti nuovi aspetti è mostratoin [fig. 5].Di seguito, sul primo lami-nato dato dal foglio di lavo-ro Excel è stata svolta unarigorosa ottimizzazione delpeso, in conformità a con-dizioni di progetto riguar-danti il minimo fattore disicurezza e la massimafreccia laterale. Il principa-le risultato di questa proce-dura è stato una riduzione

approximate level, calcula-tions could be better handledby an Excel worksheet.Actually, a 5 step workbookwas realized. A list of condi-tions such as wind force,geometry of the mast andsail, modulus of the fibre,density of whole composite,number of plies needed toobtain a quasi-isotropic lay-up must be specified.Then, the workbook can sug-gest graphically the smallestcross-section and the minimumnumber of lay-up repeats,hence the lightest mast, capa-ble of standing the loadingconditions modelled accordingto the classical approach.It says that typical modellingregards to a cantilever beam.The load is given by the pres-sure of the wind blowing onthe sail. So far, however, ithas been thought as uni-formly distributed and late-rally applied along the wholespar; see [fig. 4].This was believed to give agood starting point for thefinal engineering studyingvia FEM analysis. The sup-port of an experienced teamalready involved in such si-mulations was consideredessential to carry out profes-

sionally this part of the pro-ject. Then, after some inve-stigation in the Europeancomposite industry, ATRGroup was seen as a compe-tent and reliable partnerbeing also very precious byproviding that business awa-reness needed in everyproject dealing with compo-sites, even at an academiclevel. In particular, the ATREngineering division must beacknowledged.To go on, firstly an alternati-ve and probably closer to thereality mast-sail interactionmodel was studied and com-pared with the above mentio-ned way. Actually, loads aregiven to the mast by the sailthrough the track. In addition,sails act as a membranewhich cannot support ben-ding moments nor compressi-ve loads. Therefore, an inno-vative solution for the mast-sail reciprocal action consi-dering these two basic pointswas adopted. It can show newfeatures related to the mastbehaviour, previously hiddenby the old method. Thisshould lead to more con-scious decisions. An exampleof these new distinguishingaspects is provided in [fig. 5].

[Fig. 5] - Tipico esempio di risultato dato dal foglio di lavoro Excel.Lo spessore del laminato, in mm, e il peso specifico dell’albero, inkm/m, sono forniti in funzione della lunghezza della corda dellasezione a profilo alare dell’albero. Il grafico fa riferimento ad unapressione del vento distribuita in modo uniforme sull’albero piut-tosto che agente sulle vele / The typical output provided by the Excelworkbook. Laminate thickness, in mm, and specific weight of themast, in Kg/m, can be given with respect to the chord length of themast airfoil cross-section. The graph refers to a uniformly distributedwind pressure acting on the mast rather than on the sail

[Fig. 4] - Oltre alla tipica deviazione laterale, questo modello puòrivelare gli effetti dovuti ad un carico che è anche di torsione. Siosserva che essi si concentrano sul bordo d’uscita del profilo alare/ In addition to the typical lateral deflection, this model can unveil theeffects due to a load having a torsional component too. It can beshown that they are concentrated on the trailing edge of the “wing”

del peso del 40%.Di conseguenza, il nuovomodello d’interazione albe-ro-vela sembra renderepossibile la produzione dipezzi più leggeri.L’albero non strallato aprofilo alare sembra oraripagare in termini di peso,se si pensa ad un alberoconvenzionale con tutti isuoi necessari accessori,quali cavi e crocette.Ci sono in ogni caso altriaspetti che probabilmentemeritano un commento.Per quanto riguarda questomodello, modificare la la-minazione secondo quattrozone consente il maggiorrisparmio di peso.I laminati anti-simmetricitendono ad essere più effi-caci di quelli simmetrici, incerte aree.Infine, i tessuti pre-impregna-ti possono sostituire gli unidi-rezionali pre-impregnati di-sposti a 90° senza influire ne-gativamente sulla struttura. Alcontrario, l’albero sembra es-

sere più leggero e più rigido.Per riassumere, il processodi progettazione di un albe-ro non strallato con profiloalare è stato studiato.La tecnica rigorosa suggeri-ta ha prodotto una serie disoluzioni, ed alcune di que-ste sembrano essere innova-tive, come il profilo aerodi-namico della sezione ed ilmodello FEM.Grazie a questo nuovo ap-proccio, sembra possibile co-struire prodotti più leggeri.Visto che il progetto ha giàstimolato alcuni interessieconomici, il passo succes-sivo dovrebbe essere larealizzazione di un prototi-po che convalidi il proces-so produttivo e la resinaadottata, eseguendo analisinon-distruttive.Inoltre, l’albero dovrebbe su-bire le deformazioni previstedal modello FEM ed essereancora analizzato nello stessomodo, nella speranza di con-fermare la bontà di tutto ilmetodo progettuale proposto.

Subsequently, a rigorousweight optimization processwas carried out on the veryfirst laminate given by theExcel workbook. This wasdone under a set of designconditions concerning theminimum safety factor andthe maximum lateral displa-cement. The main result ofthis procedure was a 40%reduction in weight. If so, thenew mast-sail interactionmodel seems to allow lighterproducts. Moreover, the freestanding wing mast tendsnow to pay-off with respectto the weight of a stayedmast and its absolutely ne-cessary fittings, such as rodsand spreaders.However, a few other aspectsare probably worth pointingout. As far as this model isconcerned, changing the lay-up according to four zonesgives the highest materialsaving. Anti-symmetric lami-nates tend to work betterthan the symmetric ones inparticular areas. Finally,

woven fabrics could replace90° UD plies without badlyaffecting the structure. Ac-tually, the mast seems tobecome lighter and stiffer.To summarize, the design pro-cess of a free standing wingmast has been investigated.The proposed rigorous ap-proach led to a series of solu-tions. Some of them appear tobe innovative, such as theaerodynamic cross-section andthe mast-sail interaction FEMmodel. With the new approachit is likely that lighter productsare possible. Since the projecthas already stimulated somebusiness interests, a furtherbasic step should be the reali-zation of a prototype in orderto validate the manufacturingprocess and the pertinent resinsystem by non-destructive te-chniques.In addition, the mast shouldundergo the predicted defor-mations and be examinedagain in the same way to hope-fully confirm the goodness ofthe overall design method.

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