Riassunto analitico
Uno dei principali compiti di un telaio automobilistico è quello di proteggere gli occupanti in caso di incedente, attraverso diversi componenti di sicurezza. Un numero maggiore di componenti di sicurezza produrrà automobili più pesanti, in conflitto con la domanda di automobili con basse emissioni di CO2 e bassi consumi. Poiché la riduzione del peso non può agire a livello globale, deve essere effettuata su ciascun componente, il che richiede l'implementazione di nuovi materiali o di nuove tecnologie di produzione. Negli ultimi anni l’interesse per la tecnologia dell’Additive Manufacturing è aumentato in modo esponenziale. Tra i vari ambiti di utilizzo, tale tecnologia di produzione sta prendendo sempre più piede in campo automotive. Questa tecnologia consente al progettista una maggiore libertà di progettazione rispetto alle tecnologie di produzione standard. Di conseguenza, permette la realizzazione di componenti più ottimizzati con un rapporto prestazione-peso maggiore. Oggigiorno la possibilità di simulare accuratamente i materiali è fondamentale per aspettarsi risultati accurati nelle analisi agli elementi finiti. Proprio come le condizioni al contorno e i vincoli, modelli di materiale più precisi sono continuamente ricercati in tutto il settore del panorama ingegneristico. Uno dei modi più accreditati per affrontare la previsione del danno per una vasta gamma di materiali è il Generalized Incremental Stress State dependent damage MOdel (GISSMO). Il GISSMO è un modello che descrive la meccanica del danno in modo fenomenologico. Il singolo stato di stress è caratterizzato da un parametro, chiamato triassialità tensionale. Il modello è altamente flessibile e permette di gestire tutta una serie di parametri utili per riprodurre i dati sperimentali. L’obiettivo di questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con l’azienda Maserati S.p.A. di Modena, consiste in una correlazione numerico-sperimentale di provini realizzati in AlSi10Mg mediante un processo di Additive Manufacturing, denominato Laser Powder Bed Fusion. La valutazione sperimentale per AlSi10Mg è stata effettuata mediante prove di trazione uniassiale utilizzando la Digital Image Correlation (DIC). Le proprietà del materiale sono state simulate attraverso delle analisi agli elementi finiti utilizzando il solutore RADIOSS, portando alla creazione di tre Material Card, in funzione della direzione di costruzione utilizzata per la produzione dei provini testati. I principali temi trattati in questo lavoro di tesi interessano, in particolare, la correlazione numerico-sperimentale riguardante la curva elastoplastica caratterizzante il materiale in esame, l’identificazione dei relativi parametri GISSMO per la caratterizzazione del criterio di rottura e, infine, una valutazione di Mesh Scaling, legata alla calibrazione dei risultati ottenuti variando la dimensione caratteristica degli elementi utilizzati per le analisi agli elementi finiti. Il risultato finale ha mostrato una buona correlazione numerico-sperimentale e il GISSMO si è dimostrato un ottimo metodo capace di ottenere risultati in linea con l’evidenza sperimentale. Al fine di migliorare i risultati, è stato inoltre appurato che in fase sperimentale risulta più conveniente effettuare valutazioni sulle caratteristiche meccaniche tramite DIC utilizzando estensometri virtuali di lunghezza paragonabile alla dimensione caratteristica dell’intaglio del provino, piuttosto che effettuare valutazioni molto localizzate.
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Abstract
One of the main tasks of an automotive chassis is to protect occupants in the event of an accident, through various safety components. A greater number of safety components will produce heavier cars, in conflict with the demand for cars with low CO2 emissions and low consumption.
Since weight reduction cannot act globally, it must be done on each component, which requires the implementation of new materials or new production technologies.
In recent years, interest in Additive Manufacturing technology has increased exponentially. Among the various areas of use, this production technology is becoming increasingly popular in the automotive field. This technology allows the designer more design freedom than standard production technologies. Consequently, it allows the realization of more optimized components with a higher performance-weight ratio.
Nowadays the possibility to accurately simulate the materials is crucial to expect accurate results in finite element analysis. Just as much as boundary conditions, joints and fixtures, more precise material models are continually sought after throughout the industry.
One of the most accredited ways to manage damage prediction for a wide range of materials is the Generalized Incremental Stress State dependent damage MOdel (GISSMO). GISSMO is a model that describes the mechanics of damage in a phenomenological way. The single stress state is characterized by a parameter, called stress triaxiality. The model is highly flexible and allows to manage a whole series of parameters useful to reproduce experimental data.
The aim of the thesis, carried out in collaboration with Maserati S.p.A. company in Modena, consists of a numerical-experimental correlation of AlSi10Mg specimens built by an Additive Manufacturing process, called Laser Powder Bed Fusion.
The experimental evaluation for AlSi10Mg was carried out by uniaxial tensile tests using the Digital Image Correlation (DIC). The properties of the material were simulated through finite element analysis using the RADIOSS solver, leading to the creation of three Material Cards, according to the build direction used for the production of the tested specimens.
The main topics covered in this thesis concern, in particular, the numerical-experimental correlation concerning the elastoplastic curve characterizing the material under examination, the identification of the relative GISSMO parameters for the characterization of the failure criterion and, finally, an evaluation of Mesh Scaling, linked to the calibration of the results obtained by varying the characteristic size of the elements used for finite element analysis.
The final result showed a good numerical-experimental correlation and GISSMO proved to be an excellent method capable of obtaining results in line with the experimental evidence. In order to improve the results, it has been found that, in the experimental phase, it is more convenient to carry out assessments on the mechanical characteristics by means of DIC using virtual extensometers of a length comparable to the characteristic size of the specimen notch, rather than carrying out very localized assessments.
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