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L’approccio sperimentale ha da sempre costituito la base per la progettazione in ambito automotive: in passato, ogni aspetto era concepito sulla base dell’esperienza ed ogni modifica veniva testata in maniera approfondita su prototipi per validarne l’impatto. Negli ultimi tempi però, sulla base di richieste progettuali sempre più stringenti sotto diversi profili (normative ambientali, sicurezza passiva, ricerca estrema di performance, etc.) e per la volontà di ridurre tempistiche e soprattutto costi, l’approccio numerico ha acquisito un’importanza crescente. La possibilità di utilizzare software di calcolo, affiancati da un numero minore di prove sperimentali (comunque sempre presenti e fondamentali per la taratura dell’analisi numerica) ha permesso, infatti, di raggiungere buoni risultati in tempi ristretti e con costi contenuti. Tuttavia, solo grazie all’introduzione delle tecniche di ottimizzazione, questa sempre crescente potenza di calcolo ha permesso di raggiungere risultati in precedenza non immaginabili.
L’ottimizzazione, in generale, può essere vista come l’intervento diretto a realizzare il miglior risultato possibile. In ambito matematico essa si può definire come la ricerca dei punti di massimo o minimo di una determinata funzione. Quest’ultima definizione si può generalmente estendere anche ai problemi strutturali dove la funzione è la rappresentazione numerica del sistema in analisi ed il punto di massimo rappresenta la configurazione ottimale che raggiunge uno o più obiettivi e rispetta al contempo specifici vincoli.
Nel presente lavoro di ricerca, l’ottimizzazione è stata applicata a diversi temi collegati all’ambito automotive, spaziando dalle vetture stradali alle monoposto Formula1.
Nella prima parte, le diverse tecniche di ottimizzazione sono state studiate ed in seguito applicate al miglioramento di singoli componenti e, allo stesso tempo, introdotte nelle fasi di impostazione progettuale della vettura stessa. Tra le ottimizzazioni su singoli componenti, è stata riportata l’attività sulla piastra che nel telaio separa la zona abitacolo dal motore, la cosiddetta panca parafiamma, in cui è stata trovata l’ottimale combinazione tra spessori, nervature e distribuzione di materiale smorzante a seguito di un lavoro di caratterizzazione di quest’ultimo. Per quanto concerne la fase di progettazione della vettura, sono stati toccati due diversi ambiti. In primo luogo, tramite un’analisi topologica è stata definita la migliore configurazione di un telaio space-frame che rispettasse i vincoli progettuali richiesti; successivamente è stata trovata la distribuzione ottimale di rigidezza che massimizzasse le prestazioni NVH (noise vibration and harshness) del veicolo in termini di frequenze proprie modali e risposte in frequenza (inertanze).
Nella seconda parte, le tecniche di ottimizzazione sono state applicate in ambito Formula1. Dopo uno studio iniziale sui materiali compositi che caratterizzano tali monoposto, con conseguente correlazione numerico-sperimentale necessaria per la modellazione FEM, sono state analizzate le prove di crash richieste dalla Federazione Internazionale dell’Automobile per l’iscrizione al campionato di categoria. Lo studio si è focalizzato sulle strutture di assorbimento energetico utilizzate per raggiungere i target richiesti da tali prove: particolare rilievo è stato dato ai componenti per gli urti laterali che rappresentano una delle sfide più difficili dell’intera procedura di omologazione.

Experimental approach has always been considered as the standard for automotive design: during the past, every step was based on acquired experience and each variation was tested deeply on prototypes to verify its behavior. At the present time, however, numerical simulations are constantly increasing their role during the design stage, which is now more stressed by pressing external demands, such as pollution regulations, safety requirements, performance boosting, etc., in addition to the need to push on time and, in particular, cost saving. Few experimental tests, mandatory for correlation between numerical analysis and “real” world, are now enough to reach good results in narrow time when combined with computer approach. Despite that, only the combination of numerical analysis with the introduction of different optimization techniques has lead to impressive results. Generally speaking, the optimization can be seen as the action to achieve the best possible result. Concerning mathematics, it is the research of the maximum or the minimum point of a defined function. This definition can be extended also to structural problems where the numerical discretization of the analyzed system represents the function and the optimal point is the best configuration achieved respecting both one or more objectives and constraints. In the present research work, the optimization has been applied to different automotive topics, ranging from high performance car to Formula1 monococque. The first part starts with a study on different optimization techniques, which have been subsequently employed on single components and during the design stage of a vehicle. A plate optimization has been taken as example of the work on single components: the “panchetta parafiamma”, the barrier between the cockpit and the engine, has been optimized finding the best combination of thicknesses, ribs and damping material. A correlation of this material has been carried out in advance to find the correct finite element model. Concerning the design stage, the topologic optimization has been applied to find the best configuration of a space-frame chassis respecting given manufacturing and performance constraints. Then NVH (noise vibration and harshness) has been taken into account: optimizing the distribution of stiffness means improving modal frequencies and inertances. At a second stage, optimization techniques have been extended to Formula1 crash test. FIA regulations impose to add impact structures and prescribe different objectives to succeed in these tests, in order to enroll in the championship. As a consequence, after an initial analysis on composite materials, which represent the basis of F1 vehicles, and the creation of material FE models, side impact structures have been optimized.