Metodologie di ottimizzazione per applicazioni automotive in ottica riduzione massa: esempi di progetti metal-replacement e di progettazione integrata a confronto

al giorno d’oggi, la riduzione di peso, la resistenza agli urti e i requisiti ambientali rappresentano attività ricorrenti nel settore automobilistico. Infatti, la riduzione della massa di un veicolo è uno dei fattori chiave che permette ai severi requisiti di consumo di carburante di essere soddisfatti; tuttavia, le auto alleggerite devono soddisfare anche le prestazioni di sicurezza. Negli ultimi anni, l'equilibrio di queste attività sta diventando una sfida sempre più complessa per le aziende automobilistiche, a causa di norme più stringenti. Pertanto, una integrazione di questi obiettivi in una fase iniziale del design automobilistico permette la riduzione del time to market e il miglioramento del processo di progettazione. Nella presente ricerca, una metodologia di ottimizzazione è stata formalizzata ed è stata applicata alla sottostruttura anteriore e alla crociera di un telaio automobilistico nell’ottica della riduzione del peso. Il primo caso di studio è stato sviluppato applicando un ciclo con diversi approcci di ottimizzazione come ad esempio l’ottimizzazione topologica e l’ottimizzazione size, ad un sotto-telaio metallico di una berlina sportiva italiana. I vincoli della procedura di ottimizzazione riguardano sia le rigidezze globali che locali del telaio del veicolo, così come la linearizzazione del crash. I risultati dell'ottimizzazione topologia globale del sotto-telaio sono stati re-interpretati in un modello CAD 3D, e la definizione degli spessori dei componenti è stata raggiunta mediante un ciclo di ottimizzazioni size. Inoltre, per quanto riguarda le giunzioni, delle ottimizzazioni localizzate sono state effettuate al fine di ottenere il miglior design per le suddette zone critiche. In conclusione, è stato sviluppato un nuovo design della struttura. La presente metodologia permette una riduzione di massa consistente; infatti, la massa del veicolo completo viene ridotta del 3.2 per cento e, considerando solo la parte anteriore del veicolo la massa è stata diminuita del 29.4 per cento. Le efficienze torsionali e flessionali sono state aumentate del 3.3 per cento in riferimento al modello di sotto-telaio originale. Il secondo caso di studio rappresenta un progetto di metal replacement applicato alla crociera del veicolo considerato in precedenza. Questo processo di ottimizzazione è focalizzato sulla sostituzione della lega di alluminio con materiali più leggeri, ad esempio il materiale composito in fibra di carbonio. Il progetto di metal replacement è stato sviluppato seguendo la procedura consolidata per l’ottimizzazione di componenti in materiale composito che prevede un ciclo di ottimizzazioni topologica, free-size e size per la crociera. La massa del componente ottimizzato è stata ridotta del 32.9 per cento. Inoltre, è stato sviluppato un design preliminare innovativo per le boccole dei giunti per ottenere le prestazioni del riferimento. I valori numerici non sono forniti nella presente ricerca per ragioni di segretezza.