Riassunto analitico
I miglioramenti nella progettazione di componenti strutturali sono spesso raggiunti con approccio iterativo guidato dall’esperienza del progettista. Nonostante questo sia un aspetto fondamentale dell’iter progettuale, un approccio completamente fondato sull’esperienza rischia di portare a miglioramenti solo marginali e in tempi generalemente lunghi. Un approccio complementare è quello rappresentato dai metodi di ottimizzazione strutturale per le simulazioni a elementi finiti. In generale, queste tecniche non si prefiggono l’obiettivo di arrivare al prodotto nella sua forma definitiva, ma forniscono suggerimenti concettuali molto utili in vista del suo sviluppo e della sua ingegnerizzazione.
In questo lavoro di tesi tali metodi vengono approfonditi e alcune applicazioni industriali sono presentate e discusse. In particolare, sono stati studiati e ottimizzati singoli componenti e sottostrutture telaistiche prestando particolare attenzione alle prestazioni NVH (Noise, Vibration and Harshness).
Inizialmente viene presentata una metodologia di modellazione agli elementi finiti per materiali smorzanti tramite correlazione numerico-sperimentale. La modellazione proposta ha permesso di testare diverse strategie per ottimizzare la distribuzione di materiale smorzante e la forma delle nervature su un pannello parafiamma (avvalendosi anche di tecniche di sottostrutturazione e di analisi stocastica). Le prove sperimentali condotte hanno inoltre permesso di effettuare un confronto fra il comportamento di alcuni materiali viscoelastici in diverse condizioni di lavoro.
Successivamente, strategie e algoritmi di ottimizzazione strutturale sono stati valutati e confrontati su strutture più complesse, sempre con l'obiettivo di migliorare le prestazioni NVH. In primo luogo, è proposta un'analisi critica dei casi di carico dinamico-lineari considerati come dimensionanti per uno studio di ottimizzazione topologica su telaio completo. Viene quindi presentata una campagna di simulazioni sulla struttura plancia di una vettura a motore posteriore arrivando al confronto tra differenti strategie e domini di ottimizzazione. Le considerazioni raccolte vengono quindi trasferite su casi di interesse industriale: in particolare, tecniche topometriche, parametriche e di sensitività sono state utilizzate al fine di migliorare il comportamento dinamico (frequenze proprie e rigidezza dinamica) dei supporti motore e degli attacchi sospensione di una vettura a motore posteriore: allestimenti diversi del veicolo (telaio, “Body in White” e “Trimmed Body”) e vincoli di manufatturabilità sono stati presi in considerazione e diverse soluzioni progettuali sono state proposte.
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Abstract
Improvements in structural components design are often achieved on a trial-and-error basis guided by the designer know-how. Despite the designer experience is a fundamental aspect in design, such an approach is likely to allow only marginal product enhancements. A complementary approach is the one represented by structural optimization methods linked with finite elements analyses. On a general basis these techniques do not deliver the final shape of the product, but they give very useful hints to the designer in view of the product development and engineering.
In the present work, these methods have been deepened and some industrial applications are presented and discussed. In particular, car body structures have been studied and optimized giving particular attention to the NVH (Noise, Vibration and Harshness) performance.
In the beginning, a methodology for tuning a finite elelment damping material model, by means of numerical-experimental correlation, is presented. The simplified modelling obtained has allowed to test different strategies for the optimization of damping material distribution and beads pattern on a vehicle rear bench (making also use of dynamic reduction and robust analysis techniques). The modal tests conducted have also allowed a comparison between the behaviour of different viscoelastic materials in several working conditions.
Subsequently, structural optimization strategies and algorithms have been evaluated and compared dealing with larger structures, always with the aim of improving the NVH performance. Firstly, a critical analysis of the linear dynamic loadcases considered as dimensioning in a full chassis topology optimization is proposed. Then, an extensive campaign of structural optimization simulations involving a car dashboard is reported: a comparison between different strategies and design spaces has been obtained and the lessons learned have been transferred on real industrial cases. In particular, topometry, size and sensitivity techniques have been used in order to improve the behaviour of engine mounts and suspensions attachements of a rear-engine car in terms of natural frequencies and dynamic stiffness: different car configurations (chassis, Body in White and Trimmed Body) and design constraints have been taken into account and several design solutions have been proposed.
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