Riassunto analitico
Nell’industria automobilistica si osservano due trend opposti: da un lato è necessario ridurre peso per raggiungere le richieste di riduzione delle emissioni inquinanti, ridurre i costi e i consumi; dall’altro lato vengono richiesti alti livelli di confort acustico per i passeggeri. Poiché l’insieme dei dispositivi atti ad incrementare il comfort acustico (acoustic package) costituisce un contributo rilevante alla massa del veicolo, la progettazione e l’ottimizzazione di tali componenti risulta essere estremamente importante. Il presente lavoro di ricerca si focalizza quindi sullo studio e sviluppo di soluzioni innovative per ridurre il rumore acustico all’interno del veicolo, agendo su tre livelli: - Soluzioni architetturali: viene presentato lo studio e l’analisi svolta sulla soluzione costruttiva a doppio parafiamma tramite simulazione aero-vibroacustica di Transmission Loss con metodologia agli elementi finiti. - Ricerca e Sviluppo di materiali Smorzanti: viene presentato il confronto numerico e sperimentale tra due differenti materiali smorzanti utilizzati in ambito automobilistico IFF e LASDA mettendo in evidenza il loro effetto sui lamierati. Successivamente viene presentato lo studio svolto su soluzioni innovative come il quiet steel; ovvero strutture a sandwich composte da uno strato di polimero viscoelastico interposto tra due lamine di acciaio. Verranno presentati i risultati ottenuti su prove sperimentali di Transmission Loss e Inertanza oltre ai risultati ottenuti da simulazioni agli elementi finiti; viene in particolare messo in evidenza il livello di attenuazione sonora nel caso di parafiamma nelle due costruzioni alternative acciaio e quiet steel, a parità di spessore. - Studio degli apparati per l’isolamento acustico: La descrizione fisica dei materiali porosi è caratterizzata da due fasi: una fase solida (scheletro) e una fase fluida presente entro i sui pori. La natura dissipativa dell’interazione tra le due fasi è la cause dell’assorbimento e attenuazione dell’onda acustica. La complessità di tali materiali è dovuto alla loro natura bifase, dalle diverse forme e configurazioni che possono assumere e dalle interazioni vibro-acustice che intercorrono tra le stesse. Tale complessità rende il comportamento dei materiali porosi di difficile caratterizzazione da un punto di vista ingegneristico. Dopo aver presentato i principali materiali porosi utilizzati in ambito automobilistico e dopo aver descritte le grandezze e le metodologie sperimentali atte a caratterizzarli, viene introdotta la teoria di Biot per materiali porosi e le diverse leggi costitutive da utilizzarsi nella simulazione numerica degli stessi: modelli empirici; modelli a fluido equivalente; formulazione u-p di Atella et al.
In questo contesto, viene presentato il confronto fra due diverse metodologie di calcolo: Tranfer Matrix Method e Finite Element Method; per mettere in evidenza la miglior capacità di quest’ultimo nella previsione del comportamento acustico per strutture multilayer con materiali porosi. Confrontando i risultati sperimentali e simulazioni condotte viene infatti rilevata l’impossibilità del metodo TMM di catturare gli effetti di forma e il comportano dinamico modale della struttura, caratteristiche queste ben replicate nei modelli FE. Infine viene presentato il confronto tra misure sperimentali e i risultati delle simulazioni con le due diverse metodologie su un calcolo di trasmission loss eseguito sul parafiamma di Alfa Romeo Giulia con e senza isolamento frontale.
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Abstract
Nowadays, in automotive industry, there are two opposite trends: on one hand the vehicle must drastically reduce weight in order to reach CO2 emission requirements, reduce cost and fuel consumption; on the other hand high level of passengers acoustic comfort is required.
Unfortunately the NVH package represent an important mass of the vehicle, so the vehicle noise control is essential and modeling accurately trims for both airborne and structure-borne noise in whole frequency range is extremely important, especially at a time where prototypes tend to disappear.
The research activity has the aim of developing and analyzing innovative solution for increase the acoustics comfort for vehicle passengers; The research activity has been developed on three levels:
- Architectural solutions: the analysis on the structural solution Double Dash will be submitted through the results obtained from aero-vibroacoustics simulation of Sound Transmission Loss with Finite Elements methodology;
- Research and Development on damping materials: The numerical and experimental comparison between two damping materials used in automotive industry IFF and LASD will be submitted, highlighting their effect on metal sheets.
Then the research activity on innovative solution like quite steel will be submitted; The quiet steel is a sandwiched steel panel consisting of two sheets of metal with a visco-elastic inner layer that results in a metal/plastic/metal panel. The performance of this innovative solution has been evaluated with two experimental test of Transmission Loss and Inertance and the FE simulation results on firewall with and without quiet steel will be submitted highlighting the level of sound attenuation.
- Research and Development on Acoustic Insulation components: The physical description that these materials have in common is driven by the presence of two phases: a solid phase, called frame, and a fluid phase inside the pores, the fluid being air for the common vibro-acoustic applications. The interaction between the two phases is responsible for phenomena of absorption and attenuation. Beyond the complexity of the materials, inborn in their biphasic configuration, the various configurations and shapes that they assume and often the presence of a complete vibro-acoustic environment of which the material is a subsystem, let easily picture out the difficulties of providing reliable engineering predictions.
The main porous materials used in the automotive industry will be submitted and the experimental methods for obtaining the characteristic acoustic parameters will be described.
Secondly the Biot Theory will be explained with the different material formulation used in numerical simulations: Empirical models, Equivalent fluid model, Atella u-p formulation.
In this context, Transfer Matrix Method (TMM) and Finite Element Method (FEM) have been analyzed. Will be demonstrated that Finite Element Methods (FEM) provide a powerful instrument to predict the behavior of layers or multilayers of porous materials, characterized by various shapes; Experimental results and Simulation results of the two methodology will be compared in order to demonstrate that TMM is not accurate in low-middle frequency range because it does not take account 3D effect of the components and the resonant contribution of them.
At the end an Experimental Test on the Alfa Romeo Giulia firewall with and without front insulation has been performed and the measurement has been compared with the simulation results of the two different methodologies.
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