Riassunto analitico
Negli ultimi decenni la ricerca della sicurezza stradale è cresciuta in modo esponenziale; inoltre, in seguito a normative antinquinamento sempre più stringenti, risulta necessaria una riduzione dei consumi. Da qui è fondamentale avere componenti strutturali per il veicolo, quali ad esempio il telaio, sempre più performanti, al fine di ottenere un risparmio di peso capace di garantire minori consumi e minore massa da decelerare durante le prove di impatto necessarie all’omologazione. Nasce quindi la necessità di sviluppare nuove tecniche di progettazione in ottica riduzione peso. In particolare, durante il periodo di dottorato, sono stati analizzati metodi esistenti e si è cercato di sviluppare nuovi strumenti sfruttando il metodo di calcolo degli Elementi Finiti, così da diminuire i tempi di progetto e produzione dell’oggetto, e quindi anticiparne l’ingresso nel mercato. In questo elaborato, verrà descritta la metodologia alla base dell’attività di ricerca sviluppata all’interno del progetto MilleChili, che fornisce le linee guida per la progettazione del cuore strutturale di una vettura sportiva, il telaio portante, partendo dagli ingombri che questo deve rispettare. Grazie a specifici software di calcolo FEM è possibile realizzare un’ottimizzazione strutturale (aumento rapporto rigidezza peso) del telaio, partendo da un design space fino al modello definitivo. Durante il processo iterativo di progettazione vengono utilizzate diverse tecniche di ottimizzazione: topologica, parametrica, di forma; nelle varie fasi del progetto tali tecniche aiutano a definire geometrie locali e globali del prodotto. Tale metodologia di calcolo è applicabile anche ad altri componenti con caratteristiche strutturali all’interno del progetto vettura. In questa sede sono stati studiati e realizzati mediante ottimizzazione: la struttura portante dei cofani anteriore e posteriore, i pannelli smorzanti e gli assorbitori d’urto. Proseguendo nell’attività di ricerca nel campo dei componenti strutturali nel settore automotive si è studiata anche la diversa filosofia di progettazione che viene spesso utilizzata nel campo delle competizioni automobilistiche. In particolare si è confrontata la diversa struttura portante delle vetture stradali sportive ad alte prestazioni rispetto a quella utilizzata nelle vetture da corsa monoposto a ruote scoperte (es. Formula 1). In questo particolare campo automobilistico il motore oltre alla sua funzione di propulsore ha anche la funzione di elemento portante, essendo interposto e collegato direttamente al telaio (parte anteriore del veicolo) e al cambio (al posteriore). Questa specifica installazione del motore in vettura rende necessaria una particolare cura nel calcolo delle diverse rigidezze del veicolo. Partendo da una metodologia classica di modellazione dei collegamenti tra il motore e le altre componenti strutturali del veicolo che non tiene conto delle non linearità di contatto dovute ai fissaggi, si è sviluppata una metodologia che invece prende in considerazione le non linearità in gioco in questa tipologia di analisi. La metodologia di calcolo è stata sviluppata e validata attraverso un confronto con risultati precedenti e con prove sperimentali di torsione e flessione del motore, dove è stato inoltre possibile ottenere una correlazione in termini di tensioni e di spostamenti tra modelli di calcolo e prove sperimentali. Terminata la validazione sperimentale è stato poi possibile inserire il nuovo metodo di calcolo, che prende in considerazione anche le non linearità, all’interno del calcolo della rigidezza dell’intero veicolo. Tale innovazione risulta significativa e migliorativa rispetto a tecniche precedenti anche in termini di valutazione dei carichi trasmessi dai fissaggi nei punti di collegamento del motore.
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Abstract
In the last decades, road safety research has grown exponentially; moreover, it is necessary to reduce the fuel consumption as a result of the increasingly stringent emission standards. Because of this, it is important to have, inside the vehicle, more efficient structural components, such as the chassis, in order to obtain a saving of weight capable of ensuring lower fuel consumption and lower mass to be decelerated during the crash tests necessary for homologation. Therefore, the need to develop new design techniques in optical weight reduction arises. In particular, during Ph.D. research time, existing methods have been analyzed and new tools have been developed based on the Finite Element method, capable to reduce the component design and production processes, and therefore decrease time to market.
In this thesis, the methodology developed within the MilleChili research project is described, which provides guidelines for the design of a sports car chassis, starting from the external dimensions that must be fulfilled. Using specific FEM calculation software it is possible to develop structural optimizations (increase rigidity / weight ratio) of the frame, starting from a design space up to the final model. During the iterative design process different optimization techniques are used: topological, parametric and shape optimization. In different phases of the project, such techniques help to define local and global geometry of the product. This calculation method is also applicable to other components with structural characteristics within the car. In this specific work, the backbone of the front and rear hoods, the panels damping and the crash absorbers are addressed and optimized.
Continuing the research in the field of structural components in the automotive industry, the different philosophy often used in motor racing design is considered. In particular, the different structure of high-performance sports car is compared to the one used in the single-seater racing cars (eg. Formula 1). In this particular automotive field, the engine, together with its function of power supplier, also works as a supporting element, being interposed and connected directly to the chassis (front of the vehicle) and to the gearbox (at the rear). This specific installation of the engine within the vehicle requires special care in calculation of the vehicle stiffness. Starting from a classical methodology for modeling the connections between the engine and other structural components of the vehicle, that does not take into account the contact non-linearity due to the fixing points, a new methodology which instead takes into account this non-linearity, is developed. This new calculation method is validated by means of a comparison with results deriving from previous models and with experimental tests of torsion and bending of the engine. These tests also provide data useful to correlate results in terms of stresses and strains between calculations and experiments. After experimental validation, the new calculation method, which also takes into account non-linearity, is introduced within the calculation of the whole vehicle stiffness. This significant innovation improves the previous techniques in terms of assessment of the loads transmitted through the engine connection points. Therefore, a better evaluation of strains and stress measured locally around the fixing points of the engine is achieved, starting from the loads evaluated employing the complete model of the vehicle.
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