Correlazione numerico-sperimentale di materiali leggeri per applicazioni di veicoli ad alte prestazioni

Durante lo sviluppo di una vettura, la previsione dei meccanismi di assorbimento energetico e il danneggiamento degli organi portanti del telaio a seguito di un impatto rappresentano uno dei punti cardine della progettazione. Lo scopo principale di questa tesi è lo sviluppo di una metodologia che consenta l’implementazione di leggi-materiale in grado di replicare le caratteristiche elastoplastiche, il danneggiamento e la rottura di differenti tipologie di materiali: leghe di alluminio e composito a fibra lunga di carbonio. È stato tenuto in considerazione il processo tecnologico con cui i componenti della vettura vengono realizzati, così come anche gli effetti del ciclo di cataforesi. Le material card così definite, vengono adottate in modelli agli elementi finiti ed in particolare il solutore esplicito non lineare utilizzato durante questa attività è RADIOSS. Il primo passo della metodologia prevede una campagna sperimentale in cui vengono estratti dei provini direttamente dai componenti di interesse nello stadio finale del ciclo produttivo della vettura, grazie ai quali è possibile ricavare le caratteristiche meccaniche del materiale. Processando i dati raccolti, vengono definite le material card in grado di riprodurre i test di laboratorio fino alla rottura del provino. A tale scopo sono stati utilizzati differenti modelli di rottura in grado di definire il limite di deformazione a rottura in funzione dello stato di triassialità del materiale. Le simulazioni FEM dei provini appena descritti sono state realizzate con una taglia mesh molto raffinata per cogliere al meglio eventuali fenomeni locali, come strizioni localizzate. Le leggi materiale così ottenute vengono applicate e validate mediante simulazioni di impatto di un’intera vettura che, per contenere i tempi computazionali, devono utilizzare una taglia mesh più grossolana. È stata quindi definita una funzione di ‘’mesh scaling’’ in grado di svincolare le leggi materiale dalle dimensioni degli elementi con i quali il sistema è stato discretizzato. Sono state così definite material card in grado di riprodurre il comportamento di componenti in lega di alluminio ottenuti mediante processo di estrusione (brancardo), per i quali è stato inoltre colto il grado di anisotropia. In questa applicazione, la validazione è stata eseguita mediante la simulazione numerica della prova di urto palo laterale. Tale metodologia è stata anche impiegata per simulare il comportamento di componenti in lega di alluminio a sezione cava in parete sottile ottenuti mediante il processo di fusione (front shock tower). In questo caso, la validazione è stata eseguita analizzando i meccanismi di danneggiamento e assorbimento energetico che si generano durante un urto frontale della vettura contro una barriera supposta infinitamente rigida. Una ulteriore applicazione della metodologia ha riguardato la descrizione di polimeri rinforzati in fibra di carbonio denominati CFRP, impiegati nella realizzazione di cofani e la cui validazione è stata eseguita replicando la prova di impatto testa sul cofano vettura. La metodologia esposta ha consentito la realizzazione di material card, in grado di descrivere il comportamento di differenti materiali nel loro intero campo di utilizzo fino al raggiungimento della rottura. Sono stati considerati gli effetti del processo produttivo e l’influenza della taglia della mesh e impiegati differenti modelli di rottura in grado di discriminare il limite ammissibile del materiale in funzione dello stato di triassialità a cui può essere sottoposto. Grazie a questi accorgimenti è stato possibile migliorare la predittività dei modelli di calcolo impiegati per riprodurre differenti prove di urto, qualità necessaria per la progettazione di veicoli sempre più performanti e sicuri.