La sicurezza è uno dei fattori chiave dell'industria automobilistica. Nello sviluppo di nuovi componenti e prodotti innovativi, è essenziale dare priorità alla sicurezza di conducenti, passeggeri e pedoni. Ecco perché il concetto di resistenza agli urti è così importante per il settore.
Scopri come la tecnologia di simulazione al computer, in particolare il software Ansys LS-DYNA, sia diventato indispensabile per gli studi sulle collisioni e sulla sicurezza.
La resistenza agli urti è un concetto essenziale per analizzare la sicurezza di automobili, aerei e veicoli in generale e si riferisce alla capacità delle strutture di proteggere i passeggeri durante un impatto.
Per valutare la resistenza all'impatto, si possono analizzare diversi criteri, come i modelli di deformazione della struttura del veicolo, l'accelerazione subita dal veicolo durante l'impatto e la probabilità di danno prevista dai modelli del corpo umano.
LS-DYNA è un solutore per l'analisi strutturale a elementi finiti che utilizza il metodo esplicito. Questo metodo viene utilizzato per risolvere problemi transitori che comportano grandi non linearità, siano esse geometriche, di contatto, grandi deformazioni o complesse relazioni costitutive dei materiali.
Le caratteristiche delle simulazioni che prevedono il calcolo esplicito comportano generalmente intervalli di tempo molto brevi, in genere inferiori a 1s. I modelli di guasto per rappresentare danni permanenti o il cedimento completo del materiale che si sta analizzando sono facili da implementare.
Per l'industria automobilistica, LS-DYNA è in grado di prevedere con precisione il comportamento di un'auto in caso di collisione e gli effetti della collisione sugli occupanti. In questo modo, le aziende automobilistiche e i loro fornitori possono testare e ottimizzare i loro prototipi virtuali in modo che il progetto venga approvato nel primo test di certificazione fisica, risparmiando tempo e denaro.
Con LS-DYNA è possibile simulare diverse situazioni ingegneristiche complesse, come i processi di formatura meccanica (figura 1) e i contatti altamente non lineari (figura 2).
Figura 2 - Crash Box Test, contatti non lineari e situazioni di autocontatto
È possibile implementare modelli di materiali complessi e studiare la propagazione delle onde nelle strutture (figura 3).
Anche le prove di caduta con apparecchi elettronici o bianchi (figura 4) e le prove di urto (figura 5), tra le altre, sono possibili applicazioni dell'LS-DYNA.
Figura 5 - Crash test della Dodge Neon.
L'industria della mobilità, tra l'altro, è il principale cliente del software, che dispone di strumenti specifici per riprodurre matematicamente gli impatti con manichini, airbag, cinture di sicurezza, pareti rigide, ecc. In questo articolo verrà presentato un test noto come Body Block Test (figura 6), eseguito sulla base dell'Allegato 4 della norma ECE-R12.
Per questo lavoro, sono stati modellati un volante automobilistico e un blocco carrozzeria utilizzando le risorse di modellazione geometrica di Design Modeler, un modulo di Ansys Workbench. È stato quindi generato un modello a elementi finiti utilizzando Ansys-STR (Ansys Explicit Structural) nel suo modulo AES-LS (Ansys Explicit Structural - LS-DYNA Export).
È stata quindi generata una mesh composta esclusivamente da elementi esaedrici, con 32.069 nodi e 19.848 (figura 7). Una volta risolto il modello in AES-LS, l'utente deve eseguire il file di parole chiave (.k) generato in LS-DYNA Solver.
La post-elaborazione può essere eseguita con LS-PrePost (uno strumento fornito gratuitamente agli utenti di LS-DYNA) oppure, se il formato dei file di output (*DATABASE_FORMAT) viene modificato, la post-elaborazione può essere eseguita in Ansys LS-DYNA.
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Figura 8 - Materiali utilizzati nel volante
Le proprietà dei materiali del volante (curve sforzo x deformazione reali) sono state ricavate dalla letteratura specializzata. Il modello utilizzato per rappresentarli è il modello di indurimento lineare (o modello elasto-plastico bilineare), utilizzando l'opzione materiale *MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY. Un riepilogo delle proprietà dei materiali è riportato nelle Figure 9 e 10.
Figura 10 - Curve di sollecitazione per deformazione dei materiali
I test iniziali indicavano che le sollecitazioni equivalenti di von Mises nelle componenti del volante superavano il limite di resistenza dei materiali. Per modellare il problema in modo più realistico, è stato necessario aggiungere il comando *MAT_ADD_EROSION tramite gli Snippet di comandi in AES-LS. Il criterio utilizzato per l'erosione è la massima deformazione principale quando raggiunge il valore della deformazione di rottura, sia per l'acciaio che per l'alluminio.
Le condizioni di contatto tra le parti sono state quindi definite in AES-LS. Tra i componenti del volante sono stati utilizzati contatti incollati con comportamento simmetrico per limitare il movimento in direzione normale e tangenziale tra le superfici. Questo tipo di contatto genera il comando *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE nel file delle parole chiave.
Per modellare il contatto tra il volante e il tronco del corpo, abbiamo utilizzato il tipo di contatto Body Interaction in AES-LS con un coefficiente di attrito statico (μe) pari a 0,2 e un coefficiente di attrito dinamico (μd) pari a 0,15. Questo tipo di contatto viene generato con il comando *CONTATTO_AUTOMATICO_SURFACE_TO_SURFACE.
Tutti i nodi della sezione della colonna (asse del volante) avevano i loro gradi di libertà limitati in tutte e 3 le direzioni, una condizione imposta dal Supporto fisso. La Figura 11 mostra le condizioni al contorno del modello.
Il tronco del corpo, che ha una massa di 32,76 kg, è stato poi lanciato contro il volante a una velocità iniziale di 24,1 km/h (6694 mm/s) (dati dello standard ECER12). La velocità è stata applicata al tronco del corpo con il comando Velocità iniziale in Condizioni iniziali. La durata del fenomeno è stata di 100 ms. Dopo aver configurato il modello numerico e averlo risolto in AES-LS, è stato eseguito il file di parole chiave generato in LS-DYNA Solver.
Aprendo in LS-PrePost il file Binary Plot (.d3plot) fornito da LS-DYNA al momento della soluzione, l'utente può seguire il comportamento del modello durante l'analisi e al termine della stessa. È possibile generare grafici di risposta (forza di reazione, sollecitazioni, deformazioni, spostamenti, velocità, accelerazione, ecc.) nel dominio del tempo.
È anche possibile tracciare le distribuzioni delle sollecitazioni e delle deformazioni in tempi diversi. La Figura 12 mostra il comportamento del volante durante e dopo l'impatto su una scala di deformazione reale.
LS-PrePost consente di tracciare la forza di reazione assiale sul piantone dello sterzo (restrizione dovuta al Supporto fisso) in funzione del tempo (figure 13 e 14). Questa curva viene misurata in laboratorio durante i Body Block Test utilizzando la strumentazione del piantone dello sterzo, che contiene una cella di carico.
Anche in LSPrePost è stata utilizzata una funzione di filtraggio del segnale sui valori originariamente ottenuti per la curva di reazione (figura 13), eliminando così il rumore indesiderato.
La curva ottenuta per la forza di reazione utilizzando LSDYNA mostra un comportamento molto simile alle curve ottenute sperimentalmente. Per verificare l'energia del sistema, l'energia cinetica del tronco e l'energia interna del volano sono state riportate sullo stesso grafico (figura 15). Si noti che il valore dell'energia cinetica all'inizio della curva è vicino al calcolo analitico sottostante:
La Figura 16 mostra la distribuzione della tensione equivalente di von Mises lungo il volante per un tempo di 30 ms. La legenda indica il valore massimo di 345MPa (resistenza allo snervamento per l'alluminio 2024T6); si noti che il colore grigio rappresenta ciò che ha superato la resistenza allo snervamento, quindi le regioni che hanno subito deformazioni irreversibili.
Le figure 16 e 17 mostrano quali elementi sono stati erosi in base ai criteri di rottura stabiliti. La Figura 17 mostra il rilievo dell'erosione di tre elementi.
Figura 17 - Deformazione principale massima nel volano, istante 20,7 ms.
Riferimenti:
La sicurezza è uno dei fattori chiave dell'industria automobilistica. Nello sviluppo di nuovi componenti e prodotti innovativi, è essenziale dare priorità alla sicurezza di conducenti, passeggeri e pedoni. Ecco perché il concetto di resistenza agli urti è così importante per il settore.