Simulazione in real-time della dinamica di un veicolo per la competizione Virtual Formula 2010

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Introduzione 
Il presente lavoro ha avuto come finalità la creazione di un modello virtuale e la 
messa a punto di una vettura da competizione, tramite l’utilizzo di un codice di 
simulazione Real Time per lo studio della dinamica dei veicoli stradali. L’attività svolta 
ha consentito la partecipazione del Sicily Team Motorsport alla competizione “Virtual 
Formula 2010”. Il Sicily Team Motorsport, nato nel 2005, è il team degli studenti 
dell’Università di Catania che partecipa alle competizioni internazionali Formula 
Student® e Formula SAE Italy®, progettando, costruendo e portando in gara su pista 
una monoposto a ruote scoperte realizzata seguendo le specifiche regolamentari 
emanate dalla SAE (Society of Automotive Engineers). 
 
La competizione “Virtual Formula” viene promossa dalla VI-Grade, un’azienda 
internazionale che produce software di simulazione della dinamica dei veicoli, ed in 
particolar modo un codice Real Time specifico per la simulazione della dinamica degli 
autoveicoli su strada o pista. Oggi l’utilizzo dei software di simulazione per la 
progettazione meccanica è di fondamentale importanza perché permette di ottenere 
risultati, in tempo reale e altamente affidabili, con una notevole riduzione dei costi di 
produzione e con la possibilità di creare in poco tempo dei prodotti di miglior design. 
Tutti i maggiori produttori di automobili utilizzano questi software per la delibera in 
virtuale delle nuove vetture prima di affrontare la fase di prototipazione e test su 
strada. La competizione Virtual Formula offre, pertanto, agli studenti la possibilità di 
avvicinarsi  al mondo della simulazione e quindi al mondo lavorativo, acquisendo 
specifiche competenze tecnico-scientifiche nell’utilizzo di codici di calcolo 
professionali che vengono effettivamente utilizzati sia nel campo delle competizioni 
automobilistiche sia nella produzione di serie. 
 
Nel presente lavoro di tesi viene descritta la realizzazione di un veicolo virtuale 
per disputare la  competizione “Virtual Formula 2010”. 
 
Dapprima è stato necessario uno studio del regolamento, per definire quali 
erano le regolazioni consentite e quali i parametri che non potevano essere 
modificati. Dopo un attento studio di tutti i software di simulazione necessari per la 
creazione del modello numerico, è stato effettuato uno studio delle caratteristiche 
elasto-cinematiche delle sospensioni e della dinamica in rettilineo e in curva della 
monoposto individuando le linee guida da seguire per definire il setup ideale del 
veicolo. Dovendo, per regolamento, aggiungere delle zavorre all’interno del veicolo è 
stato necessario effettuare un attento studio sulla ripartizione dei pesi. 
 
Tramite il software VI-SuspensionGen sono stati ridisegnati i sistemi sospensivi 
(anteriore e posteriore) della monoposto, modificando le posizioni dei punti di 
attacco delle sospensioni. Sono stati definiti vari schemi sospensivi e sono state 
effettuate le analisi cinematiche, studiando le curve di variazione dei parametri 
caratteristici delle sospensioni.
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Completati gli schemi sospensivi, si è proceduto alla creazione del modello 
completo del veicolo, inserendo i property files di tutti gli altri sottosistemi (body, 
powertrain, tires, etc.). Particolare attenzione è stata posta alla modifica dei rapporti 
al cambio per sfruttare il più possibile la potenza del motore e limitare i cambi di 
marcia in prossimità di punti specifici del tracciato. Sono stati poi effettuati dei test di 
dinamica (colpo di sterzo, frenata in rettilineo, accelerazione massima, giro lanciato) 
delle differenti configurazioni create, scegliendo così la configurazione migliore, ossia 
quella che riduceva il più possibile il tempo sul giro. Contestualmente si è studiata la 
traiettoria ideale per non portare nessuna ruota del veicolo interamente fuori pista 
per non incorrere in penalizzazioni regolamentari.
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Capitolo 1 -  Virtual Formula 2010 
1.1. Introduzione 
La Virtual Formula 2010 è una competizione virtuale promossa dalla VI-Grade   
(www.vi-grade.com), un’azienda internazionale che realizza software di simulazione 
per il settore dei trasporti. Utilizzando le stesse regole di progetto e di verifica della 
Formula SAE, nella competizione virtuale il team deve ottimizzare il veicolo fornito da 
VI-Grade (VI_Racer), tramite opportuni software (VI-Car Real Time, VI-
SuspensionGen, VI-Road) per ottenere la migliore prestazione in termini di minore 
tempo in un giro lanciato su un tracciato di autocross assegnato. 
 
  
  
Figura 1.1 - Monoposto Sicily Team Motorsport per le competizioni SAE 2010 
1.2. Il regolamento 
Tutti i veicoli partecipanti alla Virtual Formula 2010 devono rispettare il 
seguente regolamento. 
 
Passo e carreggiata:  
 passo minimo di 1525 mm;  
 la carreggiata minore (anteriore o posteriore) non deve essere inferiore al 
75% della maggiore. 
 
Sospensioni:  
 entrambe le sospensioni, anteriore e posteriore, devono avere una corsa 
minima di compressione ed espansione di 25,4 mm;  
 è obbligatorio riprogettare le sospensioni (anteriore e posteriore) rispetto al 
modello esempio utilizzando VI-SuspensionGen.
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Ballast: dovranno essere aggiunti 10kg di zavorra alla vettura disposti in 
qualunque modo tra i 6 slot di zavorra disponibili. È consentito muovere le 
zavorre all’interno dei limiti riportati nella seguente tabella. 
 
X min X max  Y min  Y max Z min  Z max 
-200 1900 0 350/-350 0 500 
 
Sistema Frenante: si possono modificare solamente i seguenti parametri 
 Brake_bias: la ripartizione della frenata tra anteriore e posteriore deve 
essere un valore contenuto nell’intervallo *0,4 – 0,8];  
 Master_cylinder_pressure_gain: il guadagno di pressione alla pompa deve 
essere un valore contenuto nell’intervallo [0,01 – 0,1]. 
 
Settaggi vincolati: non è consentito modificare nessuno dei seguenti parametri:  
 settaggi del driver; 
 curva di coppia motore; 
 proprietà d’inerzia e massa del veicolo; è possibile solamente muovere il 
baricentro in direzione longitudinale; 
 settaggi del differenziale; 
 proprietà di ruote e pneumatici; 
 proprietà dei sistemi ABS e TCS, entrambi non attivi. 
 
Aerodinamica: non è consentito aggiungere carico aerodinamico. Il property 
file dell’aerodinamica deve rimanere aerodynamic_map.aer. 
 
Traiettoria: è possibile modificare la traiettoria seguita dal veicolo nel circuito 
autocross tramite il software VI-Road. Cambiare la geometria della strada non è 
consentito, eccetto la modifica del punto di partenza con i seguenti limiti. 
X min X max  Y min  Y max Z min  Z max 
0 0 -1,75 1,75 0 0 
 
Punteggio dell’Autocross event: la classifica è determinata dal tempo per un 
singolo giro lanciato nel circuito autocross fornito. Questo tempo sarà simulato 
come Max Performance event. 
 
Fuori pista:  
 se una verifica della simulazione, dimostra che tutte le 4 ruote del veicolo 
lasciano il circuito, saranno applicati 20 sec di penalità da sottrarre al tempo 
finale; 
 se più di 1 ruota lascia completamente i limiti del tracciato, saranno applicati 
2 sec di penalità da sottrarre al tempo finale per ogni occorrenza riscontrata. 
 
Risultato finale: il risultato della simulazione del Max Performance event sarà 
usato per determinare la classifica della competizione dopo le eventuali 
correzioni dovute alle penalità per i fuori pista.
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1.3. La classifica finale  
 
La competizione ha visto impiegati 66 team di studenti universitari di diversi 
paesi in tutto il mondo.  
Di seguito viene riportata la classifica finale, che ci ha visto arrivare in quarta 
posizione, che visto l’ingente numero di partecipanti sembra un risultato piuttosto 
positivo, che permette di avere dei buoni auspici per le successive competizioni. 
 
 
Figura 1.2 – Classifica Virtual Formula 2010 
1.4. Descrizione dei Software di simulazione 
1.4.1. VI-Car Real Time 
E’ il software che fornisce un ambiente di simulazione per l’ottimizzazione di 
veicoli a quattro ruote. Il software si basa: su un modello di calcolo a 5 componenti, 
telaio (massa sospesa), ruote (massa non sospesa), 6 gradi di libertà per lo chassis e 2 
per ogni ruota. L’utilizzo di questo software permette di avere un risparmio sia in 
termini economici che in termini di tempo impiegato per la realizzazione e il testing di 
un prototipo fisico.  
Il software è suddiviso principalmente in 3 parti: build mode, test mode, 
review mode.
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Build mode (fig. 1.3):  
 
Figura 1.3 VI-Car Real Time Build Mode 
Nell’area build mode è possibile modificare tutti i componenti necessari per la 
creazione del modello:  
 Body: all’interno di quest’area è possibile modificare molti parametri come: 
posizione del baricentro, masse, inerzie, passo, setup; 
 Wheels front e rear: contiene tutti i parametri delle ruote anteriori e 
posteriori,che per regolamento non possono essere modificati; 
 Brakes: contiene tutti i parametri del sistema frenante tra i quali brake_bias e 
master_pressure_gain che come scritto nel regolamento sono gli unici 
parametri modificabili;  
 Powertrain: contiene tutti i parametri relativi a: motore, marce, trasmissione, 
differenziale, frizione e combustibile. Alcuni di questi per regolamento non 
possono essere modificati; 
 Suspension front e rear: contiene tutti i file importati dal VI-SuspensionGen per 
la definizione del sistema sospensivo sia anteriore che posteriore;  
 Suspension steering: contiene tutti i parametri dello sterzo, anche questi 
vengono importati dai file generati con il VI-SuspensionGen per le sospensioni 
anteriori;
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Test mode (fig. 1.4): 
 
Figura 1.4 VI-Car Real Time Test mode 
All’interno di quest’aria è possibile creare tutti i test che serviranno per 
l’ottimizzazione della vettura. Esistono dei test predefiniti, oppure si possono creare 
tramite opportune procedure. Una volta creato il test viene effettuata la simulazione 
che restituisce risultati in una finestra di testo. 
 
Review mode: 
Una volta creati i test, in quest’area è possibile richiamarli e visualizzarli tramite 
il VI-Animator. E’ possibile aprire più test contemporaneamente in modo da 
visualizzare le differenze tra modelli diversi.  
1.4.2. VI-SuspensionGen: 
VI-SuspensionGen è il software che consente di creare un modello delle 
sospensioni di qualunque veicolo e di effettuare l’analisi cinematica ed elasto-
cinematica, realizzando le curve che il VI-Car Real Time  importerà per la creazione 
del modello completo sul quale verranno effettuati tutti i test. 
Tra gli schemi sospensivi utilizzabili, troviamo le tipologie più diffuse sia nel 
campo della produzione in serie che nel campo delle competizioni. 
 
       
Figura 1.5 – VI-SupensionGen