Riassunto analitico
Uno degli obiettivi che da sempre i progettisti si pongono nella fase di impostazione di nuove vetture ad alte prestazioni coinvolge la riduzione della massa complessiva del veicolo, ossia l’ottimizzazione della massa di tutti i suoi componenti, e naturalmente il telaio non viene risparmiato. Pertanto, algoritmi numerici di ottimizzazione vengono impiegati, consentendo di individuare la distribuzione ottimale di materiale, definito un massimo volume di ingombro del componente o dei sottosistemi in analisi, garantendo il raggiungimento di vincoli progettuali prefissati in fase di impostazione vettura.
Le tecnologie di Produzione Additiva, o di Additive Manufacturing (AM), in accoppiata con le tecniche di ottimizzazione oggi consentono la possibilità di produrre componenti di forme di complessità geometrica senza precedenti. Un filone di ricerca in questi anni molto interessante riguarda l’introduzione di questa tecnologia produttiva nei metodi di ottimizzazione in modo da ridurre il processo di reinterpretazione dei delle mappe di densità che una ottimizzazione topologica restituisce come risultato.
La realizzazione di componenti meccanici mediante la ripetizione di strutture reticolari periodiche, o lattice realizzate mediante AM rappresenta un importante opportunità per il settore automobilistico. Questi solidi cellulari sono ottenuti dalla ripetizione ordinata di una struttura fondamentale, detta cella elementare, la cui topologia è spesso ispirata dalla cristallografia. Le proprietà meccaniche di queste strutture dipendono dalla natura del materiale di cui sono prodotte, dalla topologia della cella unitaria, e dalla frazione volumetrica, ovvero il rapporto tra il volume occupato dal materiale di una cella elementare ed il volume massimo occupabile della cella stessa.
Le tecniche di AM permettono di produrre strutture lattice variandone localmente la frazione volumetrica, a seconda delle esigenze ottenendo quindi componenti a densità differenziale. È dunque possibile ed intuitivo utilizzare questa tipologia di strutture per interpretare una mappa di densità ottenuta come risultati di una ottimizzazione topo-logica. Zone a densità relativa molto bassa potranno essere interpretate come strutture lattice a frazione volumetrica bassa, mentre zone ad elevata densità potranno essere gestite o come strutture reticolate ad elevata frazione volumetrica, o come celle completamente piene, quindi solide. L’introduzione di queste strutture nell’ottimizzazione strutturale è materia di indagine sia da parte di ricercatori, che da parte delle case di produzione software.
Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di investigare tecniche di ottimizzazione a singolo obiettivo che prendano in considerazione l’introduzione di strutture reticolate. Un metodo di ottimizzazione specifico per le strutture lattice è stato sviluppato per guidare il progettista nell’ottenimento della soluzione progettuale a minor massa complessiva, nel rispetto dei vincoli progettuali prescelti. Tale metodo è stato applicato ad un caso di studio di interesse automobilistico quale il supporto motore di una vettura sportiva a motore posteriore.
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Abstract
Mass reduction a critical target engineers establish from the early phases of high-performance vehicles development. This means that the mass of all the mechanical parts involved has to be optimized. The chassis is not neglected in this process. Thus, many optimization algorithms are exploited to find the optimal material distribution among a maximum space, complying with the restrictions set during the product planning process.
Additive Manufacturing (AM) technologies, coupled with such optimization techniques, allow nowadays to produce mechanical components with shapes of unprecedented complexity. A truly interesting research field growing up these years considers the coupling of these technologies with the mentioned optimization algorithms, so that the density maps, given as results by the optimization techniques, require less time end effort to be translated into a finished piece.
A significant opportunity for automotive field is represented by the production of components including additively manufactured periodic lattice structures. These cellular solids are obtained by the repetition in space of a primary structure, called unit cell, usually inspired by crystallography. The averaged mechanical properties of these structures depend on the material of which they are made up of, from the unit cell’s topology, and from the cell’s volume fraction.
AM technologies allow these structures to be produced even with significant gradients in the structure’s relative density. It is then possible to exploit these graded structures to give an interpretation of topology optimization results. Zones with high relative density inside the design domain can be converted with high volume fraction lattice structures, or even with solids, while the zones with low relative densities can be converted in lattice with low volume fraction. This topic has stimulated researchers and software houses
This thesis aims the investigation of single objective optimization techniques that consider the introduction of lattice structures. An optimization method has been developed to obtain the solution with minimum mass, in full compliance with the design constraints. This method has then been applied to the engine mount bracket of a mid-rear engine sports car.
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