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2 Nel campo della fatica, grazie all aumento delle capacità di calcolo e al miglioramento della simulazione in campo non lineare, si può definire consolidato il calcolo degli stati di sollecitazione delle strutture, quale passo fondamentale a cui applicare la conoscenza dei materiali in termini di curve di fatica e criteri di rottura. Progressi rilevanti sono stati raggiunti anche nella valutazione dell impatto della dinamica delle strutture (modi propri) sugli stati tensionali in missione, spesso causa di rotture specifiche. Rimane significativo lo sforzo in atto per considerare nel calcolo l influenza dei processi di fabbricazione/lavorazione (il passaggio cioè dal materiale al componente) e la ridefinizione corretta delle condizioni di missione in ottica ottimizzazione e alleggerimento. Quindi, sebbene ulteriori sviluppi siano ancora da realizzare, quanto oggi disponibile rende più vicino l obiettivo del virtual prototyping in fase di progettazione per discipline così complesse. Il tutto con beneficio di tempi e costi, visto l impatto attuale della sperimentazione specifica sul Processo di Sviluppo Prodotto. (Roberto Puppini, Tommaso Giunti, Kamel Bel Knani) L approccio CAE alla sicurezza passiva deve essere oggi più che mai utilizzato sin dalle prime fasi del concepimento di un nuovo modello di veicolo, stante l importanza che tale aspetto ricopre in termini di omologazione (requisiti minimi obbligatori per legge) e, soprattutto, di rating (classificazione delle prestazioni al di sopra dei minimi di legge, operata da enti/associazioni indipendenti e resa di pubblico dominio, che ha notevoli ripercussioni sull immagine del marchio e sulle vendite del prodotto finale). La simulazione numerica applicata alla passive safety si avvale di strumenti di calcolo che possono essere raggruppati nelle seguenti quattro categorie: Strumenti con approccio semplificato (intendendo con tale termine tutto quanto non direttamente riconducibile all uso delle tecniche ad elementi finiti e multibody); Codici F.E.M.; Codici Multibody; Codici di ottimizzazione. Nella prima categoria rientrano soprattutto quei tool sviluppati internamente dall utilizzatore con lo scopo di tradurre gli obiettivi crash del veicolo, espressi in termini di prestazione finale attesa dal prodotto ad esempio, raggiungimento delle quattro stelle nel rating EuroNCAP (European New Car Assessment Programme), in obiettivi quantitativi per l impostazione progettuale che riguardano tipicamente le prestazioni da richiedere alla scocca e, di conseguenza, ai sistemi di ritenuta. Non mancano però anche esempi di strumenti software, commerciali e non, dedicati ad altri aspetti (ad es: codice Crash-Cad della Impact Design per la scelta/dimensionamento a crash delle sezioni di scocca ed il recente codice ModEval della CEESAR per il rating oggettivo del confronto numerico-sperimentale). I codici FEM utilizzati sono di tipo esplicito e, grazie alla loro intrinseca versatilità, si prestano ad essere impiegati in ogni fase della progettazione del veicolo verso crash e praticamente in tutte le tipologie di calcolo (strutturale e biomeccanico) riproducenti le varie configurazioni di urto/carico. Esistono però situazioni in cui risulta più efficiente (in termini di tempi di calcolo) l utilizzo di un codice ad approccio multibody. Nella fase di impostazione dei sistemi di ritenuta e dell ambiente abitacolo è infatti il codice TNO/MADYMO ad essere pesantemente utilizzato. Si tratta di un programma espressamente dedicato alla biomeccanica degli occupanti, rappresentati da un ampio database di modelli multibody (e anche ibridi multibody/fem) riproducenti in modo semplificato i manichini fisici in uso nei vari test sperimentali). Tale strumento si dimostra poi estremamente idoneo all impiego congiunto con i codici per l ottimizzazione (appartenenti all ultima delle categorie prima citate, e.g. LMS/OPTIMUS), qualora si debbano ottimizzare le risposte biomeccaniche dei manichini (sintetizzate da opportuni indicatori di danno), individuando il giusto mix di taratura dei vari parametri governanti i sistemi di ritenuta e l ambiente abitacolo (Fig. S1). È noto che il progetto a crash di una vettura sicura è un processo di affinamento iterativo di una soluzione tecnica; esso è basato su una serie di loop generata a partire dai risultati del processo di ripartizione degli obiettivi generali in sotto-obiettivi specifici ( target deployment ), condotto nella fase di impostazione progetto. Questo modo di procedere vale per i vari aspetti di comportamento ad urto e si puo` sinteticamente descrivere come l iniziale analisi di diverse soluzioni potenzialmente idonee all ottenimento del target ed il successivo affinamento di quella risultata il miglior compromesso (tenendo conto anche dei vincoli derivanti dalle altre discipline coinvolte). (continua a pag.3) 5

3 Tale percorso coinvolge ed intreccia i due aspetti principali della sicurezza passiva: la risposta biomeccanica degli occupanti e quella strutturale del veicolo. Poiché la bontà del prodotto veicolo verso crash viene oggi valutata tramite la risposta biomeccanica dei manichini impiegati nei crash test sperimentali, è chiaro come la progettazione veicolo debba svilupparsi a partire da questo aspetto, che deve ricoprire dunque la posizione centrale già nella fase di impostazione verso crash. Questo significa il poter attivare gli strumenti numerici di indagine biomeccanica già sulla base degli impulsi di accelerazione di impostazione, ottenuti attraverso i modelli semplificati delle varie tipologie di urto interessanti un certo archetipo di veicolo (i tool di categoria 1, quindi, sono strettamente collegati a quelli di categoria 2, 3 e 4 ). É inoltre importante che le varie configurazioni d urto vengano considerate simultaneamente per le varie tipologie di crash possibili (frontale, posteriore, etc.) e che i modelli semplificati siano predisposti per recepire le possibili evoluzioni future della normativa (ad esempio, prescrizioni di compatibilità in urto fra veicoli). L operare in questo modo consente di avere una procedura di impostazione progetto vs. crash, in grado di evidenziare sin dall inizio eventuali macro-incompatibilità tra i vari requisiti, permettendo quindi una corretta identificazione degli obiettivi con la consapevolezza delle eventuali limitazioni/criticità cui andrebbe incontro il progetto qualora il conflitto tra alcune richieste non dovesse essere risolto. A supporto delle linee guida generali sin qui esposte, si ritiene opportuno presentare il diagramma di flusso che sintetizza la procedura virtuale elaborata in CRF per l impostazione di un veicolo verso crash frontale e posteriore (Fig. S2). Come già detto, la definizione di un nuovo veicolo da inserire nel Piano gamma Prodotto avviene specificando la sua configurazione e le sue prestazioni di massima in termini di risultati finali attesi (definiti anche sulla base di indagini di marketing). Le specifiche che riguardano più direttamente la parte di sicurezza passiva sono: risposta biomeccanica degli occupanti, espressa sia in termini di limiti di normativa da rispettare assolutamente (omologazione) che in termini di posizionamento in prove di rating; tipologia dei crash test da superare (contro barriera rigida o deformabile, a differenti velocità, con sovrapposizione totale o parziale veicolo-barriera, etc); tipologia di sitemi di ritenuta che si dovranno adottare (cinture con pretensionatore, con o senza limitatore di carico, airbag, colonna sterzo collassabile, etc); geometria e configurazione dell ambiente abitacolo (sedili, plancia, volante, posture ergonomiche per l occupante, etc); massa del veicolo e famiglia macro-architetturale di appartenenza (segmento di appartenenza, tipologia di scocca e telaio di meccanica, lay-out vano motore, etc). Una certa famiglia macro-architetturale di veicolo produce, nelle condizioni di urto di riferimento, un corrispondente numero di impulsi di accelerazione tra loro correlati e aventi connotati caratteristici, in quanto prodotti OTTIMIZZAZIONE RISPOSTA BIOMECCANICA (esempio: URTO POSTERIORE) Crash pulse: urto posteriore a basso delta_v Superficie di risposta del NIC (NECK INJURY CRITERION) Ambiente lms/optimus Manichino RID2 (Rear Impact Dummy) Ambiente TNO/MADYMO (continua a pag. 4) 6

4 della risposta strutturale di una stessa architettura (il cui elemento fondamentale è rappresentato dalla scocca) in condizioni diverse. Tali impulsi di accelerazione sono dunque riconducibili a curve semplificate modulabili entro certi limiti attraverso i parametri di progetto classici (spazi di deformazione e carichi di collasso su scocca) e costituiscono al tempo stesso l input che, attraverso l interfaccia sistema di ritenuta-ambiente abitacolo, produce la risposta biomeccanica sull occupante. Un opportuno tool di categoria 1 consente di generare gli impulsi di accelerazione semplificati, gestendone le correlazioni e dando la corrispondente caratteristica carico-deformazione che li produce, nonché di fornire gli input per gli strumenti di categoria 2, 3 e 4 impiegati/impiegabili per l analisi biomeccanica (codici RADIOSS, MADYMO e OPTIMUS rispettivamente). Si perviene quindi al miglior compromesso individuando, attraverso il numero opportuno di iterazioni di impostazione, la curva caricodeformazione obiettivo per il veicolo; da questa si passa poi alle caratteristiche della scocca attraverso un target deployment sui suoi compo- Oltre ai requisiti di sicurezza passiva (vedi paragrafo precedente), una scocca automobilistica deve raggiungere prestazioni di natura affidabilistica, anch esse prestabilite nelle fasi iniziali di sviluppo prodotto. Il processo di target achieving legato ad obiettivi di affidabilità strutturale per la scocca, comprende essenzialmente due fasi: una di simulazione numerica ed una di verifica sperimentale. La prima fase, che costituisce l oggetto principale di questa sezione, si basa sulla applicazione di una me- nenti, che, nuovamente, dipenderà dalla fami- glia macro-architetturale considerata. I target così identificati permettono di dimensionare sezioni e strutture attraverso l impiego di simulazioni numeriche FEM vs. crash, effettuate il prima possibile su modelli completi di veicolo che si costruiscono facendo sinergia con le analoghe attività di impostazione vs. altre prestazioni. Si può così evolvere dai modelli di sintesi a piastre del veicolo allestiti per il crash, ai modelli completamente dettagliati disponibili nella fase finale del progetto, tenendo sotto controllo il sistema veicolo nel suo complesso durante tutto l iter di sviluppo. Il processo descritto consente di ottenere riduzioni nel time-tomarket e, soprattutto, un aumento del livello di protezione degli occupanti offerto dal veicolo. Massa veicolo & famiglia macro-architetturale (struttura e lay-out vano motore) Crash test simultanei di riferimento Impulsi di accelerazione obiettivo e caratteristiche carico deformazione veicolo Front Impact OBIETTIVI BIOMECCANICI SUL MANICHINO RISPOSTA BIOMECCANICA Target Deployment su scocca e sottosistemi strutturali Simulazioni numeriche FEM Componenti del sistema di ritenuta Ambiente interno (geometrie abitacolo) Rear Impact 7

5 FIG. F1: MODELLO MULTI-BODY DEL VEICOLO ( 1) todologia integrata di calcolo in grado di affrontare, con l ausilio di opportuni codici di simulazione, le seguenti tre tematiche: (i) analisi della missione di riferimento del veicolo e generazione delle conseguenti time histories dei carichi agenti sulla scocca; (ii) determinazione delle time histories delle tensioni che si instaurano nella struttura; (iii) calcolo previsionale della durata a fatica della scocca, adottando appropriati criteri di danneggiamento e avvalendosi di opportune caratteristiche del materiale, che tengano conto anche degli effetti, generalmente non trascurabili, del processo di fabbricazione. La fase di verifica sperimentale della scocca consiste, invece, nel sottoporre il veicolo a delle prove di affaticamento su pista e/o al banco (es. Pavé), richiedendo che la scocca superi l obiettivo di durata/percorrenza prescritto dalla norma aziendale. La fase di simulazione numerica sopra menzionata consiste essenzialmente nella riproduzione a calcolo di una missione del veicolo, con lo scopo di analizzare in tempi brevi più alternative di progetto, individuare in anticipo le eventuali criticità e, quindi, consegnare alla sperimentazione un progetto di scocca robusto, capace di raggiungere gli obiettivi affidabilistici richiesti. L attività di analisi dinamica della missione di riferimento si avvale della tecnica di modellazione multi-body, in cui il veicolo è simulato per mezzo di una scocca rigida cui sono assemblati il blocco motore, supposto rigido, con le proprie caratteristiche di inerzia, e le sospensioni anteriore e posteriore, costituite da corpi rigidi o deformabili e da giunti aventi appropriate caratteristiche elasto cinematiche e viscose (Fig. F1). 1 Eseguibile, ad esempio, col codice MDI/Adams. Nell analisi multi-body vengono assunti come input le storie delle accelerazioni ai mozzi ruota, rilevate sulla pista o al banco (Fig. F2). FIG. F2: ACCELERAZIONI AI MOZZI RUOTA Come output del calcolo dinamico, si ottengono le storie dei carichi di missione agenti sulla scocca nei diversi punti d interfaccia con le sospensioni e col motore (Fig. F3). FIG. F3: ALCUNE FORZANTI AGENTI SULLA SCOCCA Tali forzanti vengono quindi utilizzate nella fase di analisi strutturale della scocca, volta alla determinazione delle storie delle sollecitazioni, che saranno alla base delle successive analisi a fatica. Occorre segnalare in questo contesto che esistono due approcci metodologici per il calcolo delle storie tensionali. Il primo si basa sulla sovrapposizione (continua a pag. 6) 8

6 quasi-statica degli effetti, e consiste nel calcolare lo stato tensionale globale nella struttura come somma degli stati tensionali prodotti da ciascuna forzante. Sono pertanto sufficienti, per ottenere le storie delle tensioni, una serie di analisi strutturali statiche con carichi unitari su struttura non vincolata ( 2), i cui stati tensionali risultanti vengono combinati linearmente utilizzando le associate forzanti. Questo metodo, utilizzato con successo in molte applicazioni veicolistiche (es. calcolo a fatica di componenti sospensione massivi, vedi rubrica Parlano di noi ), in alcuni casi non risulta tuttavia pienamente efficace per una corretta valutazione degli stati tensionali. Ciò vale nel caso in cui le forzanti abbiano un contenuto in frequenza tale da eccitare una o più frequenze proprie della struttura. In tale evenienza, in prossimità di tali frequenze, si hanno delle amplificazioni non trascurabili dello stato tensionale, la cui valutazione richiede necessariamente l adozione di un approccio dinamico. In CRF, è stata recentemente sviluppata una procedura di simulazione dinamica, basata sul metodo della sovrapposizione modale, per la corretta valutazione delle sollecitazioni affaticanti nella scocca. La procedura prevede di eseguire un analisi modale per trovare le forme e le tensioni modali della struttura, seguita da un analisi transiente per ottenere i fattori di partecipazione modale ( 3). I risultati delle precedenti analisi dinamiche vengono quindi letti dal codice di calcolo per la previsione della vita a fatica ( 4), il quale, mediante una combinazione lineare, calcola le reali storie tensionali agenti sulla struttura. Considerando quindi opportuni criteri multiassiali di danneggiamento per fatica e le appropriate caratteristiche di resistenza del materiale base e delle giunzioni, il codice consente di individuare le zone critiche della scocca e fornisce una stima delle relative durate. La metodologia dinamica sviluppata dà buoni risultati previsionali in corrispondenza della zona della lamiera (lontano dalle giunzioni); infatti, al confronto numerico-sperimentale con dati di rottura al banco in tale zona, essa si rivela capace di cogliere la totalità delle zone critiche (Fig. F4). 2 Opzione inertia relief in MSC/Nastran. 3 Analisi dinamiche eseguite con MSC/Nastran. 4 Attualmente LMS/Falancs. Tuttavia, la metodologia è attualmente in fase di ulteriore miglioramento e messa a punto, considerando opportunamente anche altri effetti (processo di fabbricazione, gradiente della tensione, ecc.), ai fini di una corretta stima delle durate e, quindi, di un corretto ranking delle zone critiche. FIG. F4: PREVISIONE A FATICA IN ZONA LAMIERA (CONFRONTO NUMERICO-SPERIMENTALE) Per quanto riguarda la zona delle giunzioni saldate a punti, la metodologia dinamica è attualmente in fase di estensione e di validazione presso il CRF, mentre l uso della metodologia quasi-statica consente, generalmente, di individuare una parte dei punti di saldatura critici (Fig. F5), con possibili discrepanze numerico-sperimentali sulle durate. FIG. F5: PREVISIONE A FATICA DI GIUNZIONI SALDATE A PUNTI (CONFRONTO NUMERICO-SPERIMENTALE) (continua a pag. 7) 9

7 Con l estensione della metodologia dinamica alle giunzioni saldate a punti, si potranno quindi ottenere pre visioni a fatica migliori in corrispondenza di queste zone della scocca. Quanto descritto finora si riferisce ad una scocca autoveicolistica tradizionale in lamiera d acciaio saldata a punti. Tuttavia è necessario segnalare che la metodologia delineata è applicabile (previ opportuni adattamenti per la simulazione di missione) anche a cabine di veicoli industriali (Figg. F6, F7, F8) che, rispetto alle scocche delle autovetture, presentino similitudine di materiale, processo di fabbricazione ed assemblaggio, tipologia di struttura (monoscocca). La presente metodologia di calcolo previsionale di vita a fatica, sebbene sia stata sviluppata in ambito veicolistico, è tuttavia estendibile anche ad altre tipologie di strutture in lamiera di acciaio saldata a punti e soggette a missioni affaticanti. In futuro, sarà molto importante sviluppare nuove metodologie di modellazione FE e di calcolo previsionale a fatica, allo scopo di sostenere efficacemente l iter di delibera affidabilistica di scocche aventi architetture non tradizionali (es. spaceframe, body-on-frame), in cui si preveda l impiego di più materiali (acciai altoresistenziali, Al, Mg, compositi) e di tecnologie di giunzione alternative quali la saldatura laser, la rivettatura autoperforante, l aggraffatura meccanica e l incollaggio. FIG. F8: ROTTURA NELLA CORRISPONDENTE PROVA AL BANCO FIG. F7: PREVISIONE ROTTURA SU SCOCCA CABINA V.I.,O FRPSRUWDPHQWR DIDWLFD GL FRPSRQHQWL GHO YHLFROR RWWHQXWL PHGLDQWH SURFHVVL GL FRODWD FIG. F6: CABINA VEICOLO INDUSTRIALE Introduzione Le attività di innovazione tecnologica in atto nel settore dei mezzi di trasporto sono in gran parte condotte per rispondere a obiettivi sempre più stringenti di riduzione dei consumi e delle emissioni, ma anche per rispondere a (continua a pag.8) :

8 ,O FRPSRUWDPHQWR D IDWLFD GL FRPSRQHQWL GHO nuove esigenze di mercato che richiede una maggiore flessibilità del prodotto. Queste nuove tecnologie dovranno quindi impattare sui rendimenti e sulla gestione energetica del sistema motopropulsore-cambio, su una serie di soluzioni a livello veicolistico (nuove architetture), ma anche su una riduzione della massa (alleggerimento) che dovrà essere realizzata con costi (aggiuntivi) sostenibili. Naturalmente, per incidere in modo significativo sull alleggerimento, sarà anche necessario ricorrere all adozione di nuovi materiali (es. leghe di Al e di Mg, compositi) e conseguenti processi che, in genere, comportano un incremento dei costi del prodotto. L utilizzo di getti da fonderia offre a questo proposito il vantaggio di poter integrare in un unico componente più parti tradizionalmente separate ed assemblate, consentendo una notevole flessibilità progettuale e un contenimento dei costi. E da osservare infine, che gran parte della produzione di getti da fonderia per le applicazioni autoveicolistiche è costituita da componenti strutturali e/o di sicurezza e quindi, per un applicazione affidabile di questi materiali è necessario garantire da un lato un elevato standard di qualità del processo e dall altro fornire al progettista in fase di co-design le necessarie caratteristiche meccaniche e a fatica. Nel seguito verranno dunque analizzate, per alcune classi di componenti del veicolo ottenuti per colata, le attività svolte o in atto sul tema della valutazione del comportamento a fatica dei diversi materiali / processi, condotte in stretta relazione con le peculiarità caratteristiche della loro applicazione. Componenti Sospensione Essi sono normalmente realizzati in ghisa sferoidale e, più recentemente, con leghe di alluminio tipo Al Si7MgT6 colate in bassa pressione. Per quanto riguarda la risposta a fatica del materiale, possiamo suddividere il componente in diverse zone caratteristiche dello stato superficiale (grezzo di fusione e lavorato di macchina) conseguente alle diverse fasi del processo di fabbricazione (Fig. A1). Probabilità cumulativa [%] S A [MPa] SOLLECITAZIONE ALTERNA Sa Radice area [m m ] Experimental Values 400 µ m 1200 µ m area = 200 area = µ m µ m No difetti Difetti tollerati Difetti non tollerati INFLUENZA DIFETTOSITÀ Matrix Hardness HV [kgf/mm 2 ] area = 200 area = 800 Predicted Values N. CICLI FIG. F1 COMPONENTI SOSPENSIONE: INFLUENZA DEL PROCESSO SU RESISTENZA A FATICA µ m µ m (continua a pag 9) ;

9 YHLFROR RWWHQXWL PHGLDQWH SURFHVVL GL FRODWD Dal momento che le condizioni di superficie dei pezzi grezzi di colata sono difficilmente riproducibili su provini di laboratorio, la caratterizzazione è stata condotta direttamente su provini estratti dai componenti stessi. Per la ghisa è da tenere presente che, a parità di proprietà della matrice e di forma e distribuzione dei noduli di grafite, il limite di fatica del materiale è notevolmente influenzato dalla presenza di discontinuità (inclusioni, cavità da ritiro) che si possono produrre durante la solidificazione del getto. Per tenere conto di questo problema, una formulazione che correla il limite di fatica del materiale in relazione alla presenza di difettosità (tipologia, dimensione e localizzazione) del getto, è stata appositamente sviluppata. Questi dati rappresentano dunque gli input in termini di caratteristiche a fatica del materiale che possono essere utilizzati da procedure di calcolo della durata a fatica. Per la Teksid Divisione Fonderie Ghisa è stato in particolare implementato da CRF un archivio dati informatizzato, contenente le principali caratteristiche delle diverse tipologie di ghisa prodotte con riferimento ai diversi componenti. Anche per i componenti realizzati con leghe di alluminio è stata utilizzata una procedura analoga, sebbene la specificità delle discontinuità abbia richiesto una diversa metodologia per la definizione della loro dimensione (Fig. A1). È infine da segnalare che per questa classe di componenti è in fase di sperimentazione anche l adozione di nuove ghise sferoidali (ghise ADI) le quali, grazie alle migliori caratteristiche di tenacità e di resistenza a fatica garantiscono ancora margini economici sufficienti nei confronti dell acciaio fucinato. Parti strutturali della scocca, interni e parti mobili Il magnesio è il metallo più leggero tra quelli attualmente impiegati su autovettura, ha una ottima colabilità (ritiri contenuti, stabilità dimensionale, possibilità di ottenere getti a parete sottile), valori più elevati (a parità di massa) di resistenza e rigidezza rispetto all alluminio e un buon limite di fatica. Esso si presta in modo particolare per la realizzazione di strutture a parete sottile, realizzate tradizionalmente in lamiera, offrendo il vantaggio di poter integrare in un unico componente più parti tradizionalmente separate ed assemblate. In campo automobilistico sono stati realizzati un gran numero di componenti, (Fig. A2) e sono previste interessanti applicazioni anche per le parti mobili e per il front-end. Un esempio d applicazione di una verifica a fatica di una struttura per sedile è riportato in Fig. A2, dove in relazione alle diverse zone sono state utilizzate proprietà a fatica del materiale corrispondenti. È importante sottolineare a questo proposito che è ancora necessaria un ulteriore attività di sperimentazione per poter disporre di tutte le caratteristiche del materiale per consentire una razionale progettazione di queste strutture che tenga conto delle peculiarità dei processi di colata adottati per la produzione. FATIGUE LIFE PREDICTION TRAVERSA SUPPORTO PLANCIA SUPPORTO COLONNA STERZO ARMATURA VOLANTE STRUTTURA SEDILE Sollecitazione Alterna Lega AM60B influenza spessore parete S = 6 mm S = 2.5 mm + 20 % FIG. F2: MATERIALI PER L ALLEGGERIMENTO: LEGHE DI MG Durata (continua a pag 10) <

10 Si parla di noi Si riportano nel seguito ampi stralci di un articolo pubblicato sul notiziario LMS News della LMS International (vol.15, 2000). L articolo dal titolo New automated method reduces vehicle suspension weight mette in luce alcuni risultati conseguiti da CRF nel progetto europeo Integrated Approach for the Fatigue Design of Low Weight Vehicle Suspension Components (FADIN, BE ), conclusosi recentemente. Si mostra come l utilizzo di avanzate metodologie di calcolo previsionale a fatica e a urto, abbinate a tecniche D.O.E. di ottimizzazione, permetta di giungere ad un alleggerimento significativo di componenti sospensione. New automated method reduces vehicle suspension weight Engineers at the Fiat Research Center, Turin, Italy, have used innovative approaches and technologies to significantly reduce the weight of an automotive suspension arm. The scope of the exercise was to automatically minimize the weight of the control arm by changes to its geometry within the design constraints of a given fatigue lifetime and impact strength. Classically, suspension systems are designed by an iterative process in which computer simulation is used to evaluate each design alternative. Such evaluations often lag behind the current design models, they are often based on rather arbitrarily defined loading conditions, and use only an analysis of the resulting static stress patterns and not the more important dynamic fatigue lifetime evaluation. More importantly, they are open-ended solutions that state how a given design performs - not what the design should be to meet a target performance. Recently, Fiat Research Center engineers used multi-body simulation software, with actual road load information as input, to develop subsystem loads that reflect true operative conditions. Then, automated design optimisation software was used, in conjunction with finite element and fatigue analysis codes, to explore the full range of design alternatives for the suspension component. In few days, the software had converged to a design that not only met all durability and impact requirements, but was also considerably lower weight and cost than the original. Traditionally, suspension components are designed to standards approaching cookbooks that each automobile manufacturer has developed over a number of years. These standards are loosely correlated to durability goals in the actual operating environment: they usually result in a component having to pass a fatigue test that is often too severe. This testbased approach to durability engineering can therefore lead to over-engineering and excess weight. Another problem with the traditional design method is the trial and error approach to determining the material and geometry to meet the durability specification. Computer-aided engineering methods, such as Finite Element Analysis, have made it possible for engineers to accurately predict stresses and strains under defined conditions, but many do not realize that it is still difficult to use these results to determine where the product will break, and when. In other words, whether or not a component will pass the durability specification. In addition, the current design process consists of developing a concept design, modelling the design, analysing the model and starting all over again in an effort to solve the problem revealed by the analysis. The results of the analysis tell the engineer that there is a problem, but provide little or no direction on what is needed to resolve it. While the engineer can determine over time whether or not the design is improved, the potential for actually optimizing the design is little (continua a pag.11) 43

11 Si parla di noi greater than using the traditional build and test method. The result is that, even with computer-aided methods, there is also a tendency for over design, and the suspension is still heavier and addition, design lead-times are relatively long because several prototype iterations must still be built and tested before engineers can be certain that components will meet durability requirements. In an effort to overcome these problems, Fiat Research Center recently led a three-year research program, partially funded by the European Commission, devoted to develop new suspension design methods. The method would use a 'virtual test track' to accurately predict component loads, finite element analysis to calculate the resulting stresses and strains, fatigue prediction software to calculate the fatigue life, and an optimization module to close the loop and search for the best design. Of course, the final design would still need to be validated by test, but the intermediate stages would be minimized and automated wherever possible. "Real-life" Loading Calculation Project Leader Dr. Kamel Bel Knani, of Fiat Research Center, began by collecting road load data by physical and virtual experiments to represent a reference mission for the vehicle. To reduce unnecessary computation time, sections from the load time histories that were not significant (from a damage stand point) were removed. LMS/TecWare was used to automatically eliminate load cycles from the load time histories without changing the damage content or the phasing between channels. Active loads and kinematic constraints were then conceived so that load frequency could be increased by replacing the rubber bushing in the subsystem by a metal fixture. This considerably reduced the cycle time required both for fatigue analysis and to perform validation bench testing. Fatigue Life Prediction and Design Optimisation Process While a multi-body program was used to exercise the vehicle on a 'virtual test track' in order to determine the loads at the component level within the suspension unit, MSC/NASTRAN finite element analysis code computed the elastic stress distribution for a set of unit loads. Then, the fatigue analysis software LMS/FALANCS used the 'real-life' loading calculation results and the unit-loads stress estimation to predict the fatigue lifetime of the component. FALANCS uses a multiaxial approach to calculate fatigue damage, accounting for material parameters derived from adequate uniaxial tests on specimens. The computed damage distribution of the component can be visualized using the post-processor of the finite element analysis software. The team correlated these results with bench testing, validating the first part of the computer-aided optimization approach by demonstrating the ability to assess the fatigue performance of a prospective design early in the design cycle. In a separate exercise, HKS/ABAQUS simulated the component behavior under impact loading, resulting in the calculation of maximum reaction force and an appropriate kinematic quantity governing failure under large deformations. But the work team was still left with the more interesting task: to determine the optimal component design with regard to durability and impact strength, without the usual trial and error design interactions. It was decided to automate this process by using LMS/OPTIMUS, which integrated the analysis tools, closed the design loop and drove the product design towards the optimum solution. Bel Knani s collaborator, Dr. P. Bologna, set up a sequence of analysis functions for a suspension arm that followed the simulation methodology described above. He used a graphical network display to interactively define the inputs, outputs and intermediate procedures during the optimization process. He then viewed the input files of the analysis programs in the graphical display of the optimization software and marked the design variables that he wanted to control. He selected five design variables that the program could change in order to optimize the design, including three flange widths, a web thickness and a hole diameter. Using similar simple operations guided by intelligent parsers, he also selected four decision responses: the weight of the arm, the fatigue life, the highest reaction force, and an appropriate strain quantity governing impact failure. The arm weight is used as the objective function to be minimized, while suitable constraints were set on the other three decision responses to represent design requirements on arm performance under fatigue and impact loads. The design of experiments (D.O.E.) method within LMS/OPTIMUS was used to explore the design space and to select a number of virtual (continua a pag.12) 44

12 Si parla di noi experiments that captured interdependencies and reduced the number of required iterations. The optimization software then performed virtual experiments to assess the component behavior under fatigue and impact loads. LMS/OPTIMUS constructed a response surface model (RSM), to approximate the behavior of the suspension arm when the design parameters vary within their constrained range (Fig. 9). An RSM consists, for example, of a quadratic polynomial that is used to approximate the shape of the exact response function. This made it possible to quickly estimate the system response and identify the optimal parameters which characterize the minimum weight design satisfying the performance constraints. This new method has the potential to dramatically improve the suspension design pro-cess. In today's highly competitive marketplace, market pressures demand faster product deve-lopment cycles and continuous performance improve-ments. The techniques developed by Fiat Research Center in this application can create a virtual design environment in which users can rapidly iterate to an optimized design. The results achieved by Bel Knani s team are typical of what can be achieved with this new approach - producing better de-signs in a fraction of the time required by conventional methods. 127,=,( )/$6+ 9(,&2/, $ 35238/625, $/7(51$7,9, $0(7$12($*3/ ( $ Il 22 novembre u.s., il dr. Massimo Ferrera ha tenuto una conferenza sui Veicoli a Propulsori Alternativi. La conferenza è stata organizzata da ATA Università e sezione Emilia Romagna in collaborazione con università degli studi di Modena e Reggio Emilia Ricordiamo che da 10 anni CRF svolge un attività sui combustibili alternativi di cui riportiamo brevemente le tappe più significative: DALLA RICERCA ALLA PRODUZIONE. Nei primi anni 90 Il Centro Ricerche Fiat, sulla base dei risultati di un ampio programma sperimentale sulle potenzialità dei combustibili alternativi svolto su mandato di FIAT Auto e IVECO e nell ambito di uno scenario strategico a medio/lungo termine sull evoluzione dei propulsori a fronte delle sempre più pressanti sfide ecologico/ener-getiche, individuava nei motori a metano (e in seconda battuta GPL) una fondamentale linea strategica di sviluppo per migliorare significativamente la qualità dell aria nei centri urbani. In particolare identificava come punto focale di ricerca per lo sviluppo di tali propulsori la necessità di realizzare e mettere a punto un sistema avanzato di iniezione gassosa per il metano e liquida per il GPL multipoint a controllo elettronico la quale, utilizzando strategie di controllo motore sviluppate appositamente per l impiego del metano e del GPL ed integrate con quelle per la gestione ottimale dei sistemi di post - trattamento dei gas di scarico, permettesse, al contrario di quanto avviene con le tecnologie tradizionali derivate dal carburatore, di sfruttare appieno le potenzialità ecologiche ed energetiche di metano e GPL senza penalizzare le prestazioni del veicolo. Su questa base, a partire dal 1993, il CRF sviluppa i componenti fondamentali per la tecnologia dell iniezione gassosa metano e liquida GPL a controllo elettronico. Negli anni immediatamente successivi la tecnologia dell iniezione viene ulteriormente perfezionata secondo le linee di integrazione con il controllo motore e i sistemi di post-trattamento precedentemente identificate fino a raggiungere lo stadio realizzativo. Parallelamente si procede all applicazione della nuova tecnologia, in stretta collaborazione con FIAT Auto, alle vetture (in versione bi-fuel e monofuel) e, congiuntamente ad IVECO, ai veicoli commerciali (bus, veicoli commerciali leggeri, carri raccolta rifiuti). Negli anni FIAT Auto ed IVECO mettono in produzione e commercializzano la più ampia gamma di prodotti con motore a combustione interna a basso impatto ambientale mai realizzata da un produttore di veicoli : Marea Bipower, Multipla Blupower, Multipla Bipower, Ducato, Daily, bus urbani Cityclass a pianale ribassato, carri Eurotech nelle versioni raccolta rifiuti e distribuzione merci. FIG. 9: RESPONSE SURFACE MODEL + FOR FATIGUE LIFE &$32*58332 &2148,67$,/ 752)(2 $*1(//, 3(5 &,&/,602 ( 02817$,1 %,.( Il 16 ed il 30 settembre sono state disputate le gare per l assegnazione dei trofei Agnelli di ciclismo e mountain bike, entrambi aggiudicati a Fiat Capogruppo. Significativo è stato il contributo del CRF. 45

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