Investigazione dei meccanismi di assorbimento energetico insorgenti in componenti strutturali per applicazioni automotive. Leghe di alluminio e materiali compositi a confronto, dallo sperimentale al numerico.

Lo scopo di un assorbitore d’urto nel settore automotive è quello di assorbire l’energia d’impatto, cosicché da salvare la vita umana in caso di crash. Le procedure omologative per i veicoli stradali prevedono molti test, che sono estremamente costosi per le case automobilistiche. L’ingegneria virtuale può certamente contribuire a ridurre il numero di test fisici, introducendo la simulazione dei crash test e dando la possibilità di predire il comportamento di un veicolo in specifici crash prestabiliti. A questo scopo, questa tesi verte sullo studio del design di assorbitori d’urto in alluminio e in materiale composito in fibra di carbonio per applicazioni automotive. Obiettivo di questa ricerca è quello di confrontare l’assorbimento energetico di diversi materiali e geometrie, e di caratterizzare numericamente i materiali a crash. La prima parte della tesi tratta di assorbitori d’urto in alluminio. Sono stati studiati tubi a sezione circolare, quadrata e rettangolare, da un approccio analitico all’analisi agli elementi finiti (FE). I modelli analitici sono stati confrontati con le analisi FE, con l’impiego di un solutore esplicito per problemi non lineari. Inoltre, sono stati valutati i benefici di rinforzi interni alla sezione, noti come setti, e dei trigger su assorbitori d’urto a sezione rettangolare, implementando un Design of Experiment (DoE), con uno studio parametrico in modo da capire l’influenza di parametri geometrici. Infine, è stata eseguita un’ottimizzazione di un tipico assorbitore d’urto a sezione rettangolare con due setti e un trigger. La seconda parte della tesi tratta di assorbitori d’urto in materiale composito in fibra di carbonio a matrice polimerica (materiale noto come “CFRP”). Sono stati considerati diversi tipi di materiale composito, aventi matrice polimerica sia in termoindurente che in termoplastico. I materiali compositi considerati a matrice termoindurente sono stati un tessuto, un composito Non-Crimp Fabric (“NCF”) e un composito a fibra unidirezionale. Il composito a matrice termoplastica è stato un tessuto. È stata condotta una caratterizzazione meccanica per tutti i materiali considerati seguendo le normative ASTM. Successivamente, è stata eseguita una correlazione numerica di ogni materiale testato, in modo da poter cogliere il comportamento non lineare dei diversi materiali compositi considerati sotto diverse condizioni di carico. Dopo di ciò, è stata condotta una campagna sperimentale di drop test, considerando compositi ed alluminio. I test considerati sono stati dei cilindri e delle “omega”, che rappresentano entrambi geometrie semplificate ed in scala di assorbitori d’urto in carbonio. Obiettivo di questa campagna sperimentale è stato di confrontare la capacità di assorbire energia dei diversi materiali compositi, in diverse configurazioni in termini di orientazione delle fibre Sono stati confrontati il tessuto, l’NCF e la fibra unidirezionale, in termini di energia specifica assorbita (“SEA”) e lunghezza di schiacciamento. Sono anche stati confrontati tubi in alluminio e tubi in composito, in modo da confrontare l’assorbimento energetico del composito rispetto all’alluminio. È stata allo stesso modo comparata l’energia specifica dei tubi NCF smussati rispetto quelli non smussati, in modo da isolare il contributo dello smusso. Per ultimo, è stata confrontata l’energia specifica tra le omega a matrice termoplastica e quelle a matrice termoindurente, in modo da isolare il contributo del materiale polimerico della matrice. Infine, è stata svolta la correlazione numerica dei drop test per tutti i materiali considerati e per entrambe le geometrie, tubi ed omega. Sono state messe a confronto le curve numeriche con quelle sperimentali.