Riassunto analitico
Lo scopo di un assorbitore d’urto nel settore automotive è quello di assorbire l’energia d’impatto, cosicché da salvare la vita umana in caso di crash. Le procedure omologative per i veicoli stradali prevedono molti test, che sono estremamente costosi per le case automobilistiche. L’ingegneria virtuale può certamente contribuire a ridurre il numero di test fisici, introducendo la simulazione dei crash test e dando la possibilità di predire il comportamento di un veicolo in specifici crash prestabiliti. A questo scopo, questa tesi verte sullo studio del design di assorbitori d’urto in alluminio e in materiale composito in fibra di carbonio per applicazioni automotive. Obiettivo di questa ricerca è quello di confrontare l’assorbimento energetico di diversi materiali e geometrie, e di caratterizzare numericamente i materiali a crash.
La prima parte della tesi tratta di assorbitori d’urto in alluminio.
Sono stati studiati tubi a sezione circolare, quadrata e rettangolare, da un approccio analitico all’analisi agli elementi finiti (FE). I modelli analitici sono stati confrontati con le analisi FE, con l’impiego di un solutore esplicito per problemi non lineari. Inoltre, sono stati valutati i benefici di rinforzi interni alla sezione, noti come setti, e dei trigger su assorbitori d’urto a sezione rettangolare, implementando un Design of Experiment (DoE), con uno studio parametrico in modo da capire l’influenza di parametri geometrici. Infine, è stata eseguita un’ottimizzazione di un tipico assorbitore d’urto a sezione rettangolare con due setti e un trigger.
La seconda parte della tesi tratta di assorbitori d’urto in materiale composito in fibra di carbonio a matrice polimerica (materiale noto come “CFRP”).
Sono stati considerati diversi tipi di materiale composito, aventi matrice polimerica sia in termoindurente che in termoplastico. I materiali compositi considerati a matrice termoindurente sono stati un tessuto, un composito Non-Crimp Fabric (“NCF”) e un composito a fibra unidirezionale. Il composito a matrice termoplastica è stato un tessuto. È stata condotta una caratterizzazione meccanica per tutti i materiali considerati seguendo le normative ASTM. Successivamente, è stata eseguita una correlazione numerica di ogni materiale testato, in modo da poter cogliere il comportamento non lineare dei diversi materiali compositi considerati sotto diverse condizioni di carico. Dopo di ciò, è stata condotta una campagna sperimentale di drop test, considerando compositi ed alluminio. I test considerati sono stati dei cilindri e delle “omega”, che rappresentano entrambi geometrie semplificate ed in scala di assorbitori d’urto in carbonio. Obiettivo di questa campagna sperimentale è stato di confrontare la capacità di assorbire energia dei diversi materiali compositi, in diverse configurazioni in termini di orientazione delle fibre
Sono stati confrontati il tessuto, l’NCF e la fibra unidirezionale, in termini di energia specifica assorbita (“SEA”) e lunghezza di schiacciamento. Sono anche stati confrontati tubi in alluminio e tubi in composito, in modo da confrontare l’assorbimento energetico del composito rispetto all’alluminio. È stata allo stesso modo comparata l’energia specifica dei tubi NCF smussati rispetto quelli non smussati, in modo da isolare il contributo dello smusso. Per ultimo, è stata confrontata l’energia specifica tra le omega a matrice termoplastica e quelle a matrice termoindurente, in modo da isolare il contributo del materiale polimerico della matrice.
Infine, è stata svolta la correlazione numerica dei drop test per tutti i materiali considerati e per entrambe le geometrie, tubi ed omega. Sono state messe a confronto le curve numeriche con quelle sperimentali.
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Abstract
The aim of a crash absorber in the automotive field is to absorb the impact energy, in order to save the human life in case of impact. The homologation procedure of vehicles include many tests, which are highly expensive for the car manufacturers. The virtual engineering may of course contribute to reduce the number of physical tests, by simulating the crash test and by predicting the behaviour of the vehicle in specific crash scenarios. For this purpose, this thesis investigates on aluminium and carbon composite crash absorbers design for automotive applications. The aim of this research study is to compare the energy absorption capabilities of different materials and geometries, also to characterize numerically the materials.
The first part of the thesis deals with aluminium crash absorbers.
Circular, square and rectangular cross section tubes have been investigated, from analytical approach to FE analysis. Analytical models have been compared with FE analysis, by using an explicit solver for non-linear problems. Furthermore, the benefit of inner plate reinforcement, known as ribs, and the triggers on rectangular cross section tubes have been evaluated by implementing a Design of Experiment (DoE), with a parametric model, in order to understand the effect of the geometrical parameters. Ultimately, an optimization of a typical crash absorber with rectangular section, two ribs and a trigger has been carried out.
The second part of the thesis deals with carbon fibre reinforced polymer (called “CFRP”) crash absorbers.
Different types of carbon composite materials have been considered, with thermoset polymer matrix and with thermoplastic matrix. The CFRP with thermoset matrix were a fabric, a non-crimp fabric (called “NCF”) and a unidirectional fibre composite. The CFRP with thermoplastic matrix was a fabric. A mechanical characterization has been carried out for all of the materials above mentioned, in the respect of the ASTM standards. Afterwards, a numerical characterization of each material has been done, in order to capture the non-linear behaviour of the composite materials under different loading conditions. Thereafter, an experimental campaign of drop test have been performed, by using composite and aluminium. The coupons were cylinder shaped and “omega” shaped. The considered coupons represent a simplified and scaled crash absorber. The aim of this campaign was to compare the energy absorption capabilities between the different carbon composite materials, in different configuration in terms of fibre orientation. Fabric, NCF and unidirectional fibres composite materials have been compared, in terms of crush length and specific energy absorbed (called “SEA”). Aluminium tubes and composite tubes were compared, in order to compare metal and carbon composite energy absorption capabilities. Lastly, chamfered NCF and non-chamfered NCF were compared as well, in order to isolate the influence of the chamfer. Furthermore, the matrix material contribution has been evaluated, by comparing the omega component with thermoset matrix and the omega component with thermoplastic matrix.
Finally, a numerical characterization of the drop tests has been performed for all of the considered materials and for both the geometries, tubes and omega. Experimental and numerical curves have been compared.
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