Riassunto analitico
Durante lo sviluppo di una vettura, la previsione dei meccanismi di assorbimento energetico e il danneggiamento degli organi portanti del telaio a seguito di un impatto rappresentano uno dei punti cardine della progettazione.
Lo scopo principale di questa tesi è lo sviluppo di una metodologia che consenta l’implementazione di leggi-materiale in grado di replicare le caratteristiche elastoplastiche, il danneggiamento e la rottura di differenti tipologie di materiali: leghe di alluminio e composito a fibra lunga di carbonio. È stato tenuto in considerazione il processo tecnologico con cui i componenti della vettura vengono realizzati, così come anche gli effetti del ciclo di cataforesi. Le material card così definite, vengono adottate in modelli agli elementi finiti ed in particolare il solutore esplicito non lineare utilizzato durante questa attività è RADIOSS.
Il primo passo della metodologia prevede una campagna sperimentale in cui vengono estratti dei provini direttamente dai componenti di interesse nello stadio finale del ciclo produttivo della vettura, grazie ai quali è possibile ricavare le caratteristiche meccaniche del materiale. Processando i dati raccolti, vengono definite le material card in grado di riprodurre i test di laboratorio fino alla rottura del provino. A tale scopo sono stati utilizzati differenti modelli di rottura in grado di definire il limite di deformazione a rottura in funzione dello stato di triassialità del materiale. Le simulazioni FEM dei provini appena descritti sono state realizzate con una taglia mesh molto raffinata per cogliere al meglio eventuali fenomeni locali, come strizioni localizzate. Le leggi materiale così ottenute vengono applicate e validate mediante simulazioni di impatto di un’intera vettura che, per contenere i tempi computazionali, devono utilizzare una taglia mesh più grossolana. È stata quindi definita una funzione di ‘’mesh scaling’’ in grado di svincolare le leggi materiale dalle dimensioni degli elementi con i quali il sistema è stato discretizzato. Sono state così definite material card in grado di riprodurre il comportamento di componenti in lega di alluminio ottenuti mediante processo di estrusione (brancardo), per i quali è stato inoltre colto il grado di anisotropia. In questa applicazione, la validazione è stata eseguita mediante la simulazione numerica della prova di urto palo laterale. Tale metodologia è stata anche impiegata per simulare il comportamento di componenti in lega di alluminio a sezione cava in parete sottile ottenuti mediante il processo di fusione (front shock tower). In questo caso, la validazione è stata eseguita analizzando i meccanismi di danneggiamento e assorbimento energetico che si generano durante un urto frontale della vettura contro una barriera supposta infinitamente rigida.
Una ulteriore applicazione della metodologia ha riguardato la descrizione di polimeri rinforzati in fibra di carbonio denominati CFRP, impiegati nella realizzazione di cofani e la cui validazione è stata eseguita replicando la prova di impatto testa sul cofano vettura. La metodologia esposta ha consentito la realizzazione di material card, in grado di descrivere il comportamento di differenti materiali nel loro intero campo di utilizzo fino al raggiungimento della rottura. Sono stati considerati gli effetti del processo produttivo e l’influenza della taglia della mesh e impiegati differenti modelli di rottura in grado di discriminare il limite ammissibile del materiale in funzione dello stato di triassialità a cui può essere sottoposto. Grazie a questi accorgimenti è stato possibile migliorare la predittività dei modelli di calcolo impiegati per riprodurre differenti prove di urto, qualità necessaria per la progettazione di veicoli sempre più performanti e sicuri.
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Abstract
Finite element simulations are a useful tool that help engineers in each single phase of the design loop. This tool is effective only if it is able to replicate physical events, and in this specific context, the different types of homologation impacts necessary for the production of a vehicle. The aim of this thesis is the development of a methodology to define '' material cards '' able to describe the elastoplastic behaviour, the damage phenomena and the failure mechanisms of different materials: aluminum alloy and CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). The manufacturing process could influence the mechanical properties of the components likewise the cataphoretic process, therefore these aspects has been both considered. The software employed to perform the explicit nonlinear analysis is RADIOSS.
The first step of the methodology provides an experimental campaign in which the samples were extracted directly from the vehicle component to obtain the mechanical characteristic of the material.
The material cards describe the elastic field of the material, the plastic behaviour and at last the failure of the specimens. In this regard, two different failure models have been used: Johnson-Cook and Bao-Wierzbicki, both able to define a deformation limit of the material as a function of the stress triaxiality. The FEM simulations of the specimens have been performed with a very fine mesh size, to capture any local phenomena such as the necking point of the specimens that could not be correctly observed with coarser mesh sizes. The final application of these material cards are full-vehicle impact simulations, therefore the computational time is particularly high. The mesh size of the components cannot be too refined, so the effect of the mesh size has been studied, and a "mesh scaling" function has been defined to ensure mesh independent results.
The material cards, have been implemented in the FE simulation of extruded aluminum components, such as, for example, the car sill which also plays a crucial role in the side pole impact test. In this regard, the experimental specimens were extracted in three different directions with respect to the extrusion: 0deg, 45deg, 90deg, to capture the orthotropy of the material. The material cards, have been implemented and validated on the FE simulation of the side pole impact test, observing that the numerical results were in good agreement with those obtained experimentally.
The methodology was also applied on the thin wall hollow section components made by casting manufacturing process such as the front shock tower. To assess the quality of the material cards, the application was the FE simulation of the full frontal rigid barrier test, whose results confirm a good agreement with the experimental test.
The methodology concerned also the study of CFRP composite laminates employed on the hood of the vehicle. The FE simulation of the entire front end of the vehicle was conduct to reproduce the head impact test. The numerical and experimental significant parameters of this homologation test have been compared, such as the HIC (Head Injury Criterion) and the acceleration curves of the head. The good correlation between the numerical simulation and the experimental data confirms the effectiveness of the methodology.
The exposed study allowed the realization of material cards, able to describe the complete behaviour of different materials. The effects of manufacturing process and the influence of the mesh size have been considered. Different failure models have been employed to consider the effect of stress triaxiality on the failure limit of the materials. Thanks to this approach, it was possible to improve the predictability of the FE simulations of different crash tests, necessary for the design of increasingly performing and safe vehicles.
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