• CRASHWORTHINESS
• FE
• METAL-REPLACEMENT
• METODOLOGIA
• OTTIMIZZAZIONE

al giorno d’oggi, la riduzione di peso, la resistenza agli urti e i requisiti ambientali rappresentano attività ricorrenti nel settore automobilistico. Infatti, la riduzione della massa di un veicolo è uno dei fattori chiave che permette ai severi requisiti di consumo di carburante di essere soddisfatti; tuttavia, le auto alleggerite devono soddisfare anche le prestazioni di sicurezza. Negli ultimi anni, l'equilibrio di queste attività sta diventando una sfida sempre più complessa per le aziende automobilistiche, a causa di norme più stringenti. Pertanto, una integrazione di questi obiettivi in una fase iniziale del design automobilistico permette la riduzione del time to market e il miglioramento del processo di progettazione. Nella presente ricerca, una metodologia di ottimizzazione è stata formalizzata ed è stata applicata alla sottostruttura anteriore e alla crociera di un telaio automobilistico nell’ottica della riduzione del peso. Il primo caso di studio è stato sviluppato applicando un ciclo con diversi approcci di ottimizzazione come ad esempio l’ottimizzazione topologica e l’ottimizzazione size, ad un sotto-telaio metallico di una berlina sportiva italiana. I vincoli della procedura di ottimizzazione riguardano sia le rigidezze globali che locali del telaio del veicolo, così come la linearizzazione del crash. I risultati dell'ottimizzazione topologia globale del sotto-telaio sono stati re-interpretati in un modello CAD 3D, e la definizione degli spessori dei componenti è stata raggiunta mediante un ciclo di ottimizzazioni size. Inoltre, per quanto riguarda le giunzioni, delle ottimizzazioni localizzate sono state effettuate al fine di ottenere il miglior design per le suddette zone critiche. In conclusione, è stato sviluppato un nuovo design della struttura. La presente metodologia permette una riduzione di massa consistente; infatti, la massa del veicolo completo viene ridotta del 3.2 per cento e, considerando solo la parte anteriore del veicolo la massa è stata diminuita del 29.4 per cento. Le efficienze torsionali e flessionali sono state aumentate del 3.3 per cento in riferimento al modello di sotto-telaio originale. Il secondo caso di studio rappresenta un progetto di metal replacement applicato alla crociera del veicolo considerato in precedenza. Questo processo di ottimizzazione è focalizzato sulla sostituzione della lega di alluminio con materiali più leggeri, ad esempio il materiale composito in fibra di carbonio. Il progetto di metal replacement è stato sviluppato seguendo la procedura consolidata per l’ottimizzazione di componenti in materiale composito che prevede un ciclo di ottimizzazioni topologica, free-size e size per la crociera. La massa del componente ottimizzato è stata ridotta del 32.9 per cento. Inoltre, è stato sviluppato un design preliminare innovativo per le boccole dei giunti per ottenere le prestazioni del riferimento. I valori numerici non sono forniti nella presente ricerca per ragioni di segretezza.

Nowadays, the car weight reduction, the crashworthiness and the environmental requirements represent three recurring tasks in the automotive industry. In fact, the mass reduction of a vehicle is one of the key factors that allows stringent fuel-efficiency requirements to be satisfied; however, lighter cars must fulfil the safety performance. In the recent years, the balance of these tasks is becoming an increasingly complex challenge for automotive companies, due to more stringent regulations. Therefore, an integration of these targets in an early phase of the automotive design allows time to market to be reduced and the design process to be improved. In the present research, the optimization methodology has been provided and it has been applied to the front substructure and to the cross-member of an automotive chassis from the weight reduction point of view. The first test-case has been developed by a loop of different optimization approaches such as topology and size optimization for a metal subframe of an Italian sport sedan. The constraints of the optimization procedure regard both the local, and the global stiffness (bending and torsional stiffness) of the car chassis, as well as crash linearization. The results of the global topology optimization of the subframe have been re-interpreted in a 3D CAD model, and the assessment of the thickness components has been achieved by a loop of size optimization. In addition, at the joint connections, localized optimizations have been performed in order to obtain the best design for those critical areas. In conclusion, a design of the structure has been developed. The present methodology allows a consistent mass reduction; in fact, the mass of the whole vehicle has been decreased by 3.2 per cent and, considering only the car front subframe the mass has been reduced by 29.4 per cent. The bending and the torsional efficiency have been increased by 3.3 per cent referring to the subframe reference model. The second test-case represents a metal replacement design process applied to the cross-member of the previously considered vehicle. This optimization process has been focused on the substitution of the aluminum alloy with lighter materials, e.g. Carbon Fiber Reinforcement Plastic (CFRP) composite material. The metal replacement project is developed following the consolidated procedure of composite part optimization that deals with a cycle of topology, with free-size, and with size optimization of the cross-member. The optimized component mass has been reduced by 32.9 per cent. Moreover, a preliminary design of innovative joint bushes has been developed to achieve the component performance. Numerical values are not provided in the present research for the secrecy reasons.