Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Automotive

Strumenti di simulazione a supporto della nuova era nel design dell’auto

Roger Assaker

Il design dell’auto sta attraversando uno dei suoi più profondi mutamenti da quando il motore a benzina ha sostituito quello a vapore.
Il prezzo dei carburanti e la crescente sensibilità ambientale, a seguito delle problematiche di fornitura del combustibile dei primi anni ’70, hanno fatto dell’efficienza un obiettivo prioritario nel progetto di un veicolo.

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Confronto fra approccio isotropo e anisotropo in due casi di carico. L’approccio Digimat multi-scala per la modellazione del materiale riproduce in modo eccellente i risultati sperimentali.

(Cortesia Ticona e ArvinMeritor)

 

L'accordo del Presidente Obama, stilato nel 2011 con 13 grandi costruttori d’auto al fine di aumentare gli standard CAFE (Corporate AverageFuel Economy) dalle attuali 27.5 miglia per gallone, per automobili e mezzi leggeri, alle 54.5 miglia per gallone nel 2025, ha influito sulle priorità nella progettazione di veicoli da parte dell’industria automobilistica.

Le case costruttrici Ford, GM, Chrysler, BMW, Honda, Hyundai, Jaguar/Land Rover, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Toyota, e Volvo, che insieme costruiscono oltre il 90 percento dei veicoli venduti negli Stati Uniti, hanno aderito a tale accordo. Nuovi standard, che prevedono un maggiore chilometraggio, influenzeranno per almeno un decennio ogni decisione progettuale, con ripercussioni sull’intera supply chain dell’industria automobilistica, dove troviamo i più importanti fornitori OEM di componenti e sottosistemi.

I produttori di veicoli ibridi, elettrici e convenzionali, stanno sperimentando nuove forme aerodinamiche e nuovi materiali per diminuire i pesi e ottimizzare gli aspetti economici. In realtà è proprio sulla riduzione delle masse che oggi si focalizza l’attenzione per raggiungere la massima efficienza.

Il Laboratorio Nazionale Oak Ridge ha stabilito che una riduzione del 10 percento della massa di un’auto ne incrementa il chilometraggio del 7 percento. L’EPA afferma che ogni 100 sterline di extra-spesa per un veicolo conducono ad un risparmio di combustibile del 1-2 percento, senza contare gli ulteriori benefici derivanti dal minore peso. Riducendo dal 10 al 20 percento la quantità di materiale impiegato in un veicolo, è inoltre possibile abbassare il suo costo del 5-15 percento. La più significativa innovazione finalizzata alla riduzione del peso, a parità di prestazioni, consiste in un più ampio uso di materiali plastici e compositi in fibra di carbonio.

Già impiegati da decenni in veicoli sportivi ad elevate prestazioni, i compositi sono oggi sperimentati dai designer nella progettazione di veicoli comuni, per perseguire significative riduzioni del consumo di carburante. L’uso della plastica sta così estendendosi nella realizzazione degli interni e di piccoli componenti meccanici.

Oltre alla riduzione dei pesi, l’integrazione di materiali plastici e compositi nel progetto di un veicolo influisce sui livelli di sicurezza, comfort, rumore e qualità, elementi essenziali per il suo successo. L’uso di nuovi materiali introduce nuove variabili in quello che è stato il vero tentativo di ridurre l’impiego dell’acciaio nella costruzione di un veicolo, senza comprometterne le prestazioni.

Ridurre la quantità di acciaio o sostituirlo con metalli più leggeri, come ad esempio l’alluminio, è stata la prima evoluzione naturale per i designer, trattandosi di materiali familiari e dalle proprietà note. I metalli, infatti, hanno una rigidità omogenea su tutta la superficie di un componente, cosicché ogni sua deformazione geometrica risulta prevedibile.

Compositi e materiali plastici si comportano invece in modo diverso. La forma di un pezzo o di un assieme, se questo è realizzato in composito o in plastica, ne influenza la rigidità.

A differenza di quanto succede con i metalli, i progettisti non sono in grado di prevedere il comportamento di materiali plastici e compositi. D’altra parte, essi devono garantire i propri progetti con tali materiali assicurando, attraverso un loro impiego ottimale, il rispetto dei requisiti imposti. Poiché la prototipazione fisica ha costi elevati, la validazione del progetto deve ricorrere al software di simulazione per mantenere i costi a livelli adeguati.

Pertanto la simulazione e l’analisi diventano un’esigenza crescente nel progetto di un’auto, più di quanto lo siano state per quasi 40 anni. Ma proprio come il progetto di un veicolo deve adeguarsi ai tempi, così deve fare la tecnologia di simulazione e analisi.

Plastica e compositi non si comportano come i metalli. Essi hanno caratteristiche diverse e quindi, per poter supportare il progetto a costi adeguati, la tecnologia di simulazione deve poterne rappresentare in modo accurato proprietà e comportamento fisico.

Modelli di materiali basati su aspetti micromeccanici sono sensibili all’orientamento delle fibre. Grazie alla simulazione dello stampaggio a iniezione il modello può essere impiegato per prevedere la rigidità locale del componente. (Cortesia Renault)

 

 

Plastica e compositi “zona grigia”

 

Plastica e compositi offrono rigidità paragonabile a quella dei metalli, ma con minore peso. Ciò offre ai progettisti di automobili un’ampia gamma di opzioni di design, ma rappresenta anche una sfida.

Densità e lunghezza delle fibre in una matrice di composito, a prescindere dalle modalità d’iniezione nello stampo, possono rendere la rigidezza del componente maggiore in una direzione rispetto a un’altra. Se da un lato il progettista può ottimizzare un componente in composito eliminando massa in eccesso, dall’altro egli può trovarsi di fronte a nuovi problemi derivanti dalle diverse proprietà del composito, come una riduzione della durata e resistenza all’urto, vibrazioni ed elevati livelli di rumore. Plastica e composito hanno inoltre tolleranze più strette rispetto ai metalli; anche di questo occorre tener conto nel progetto.

La simulazione è la naturale soluzione a questi problemi. Ma proprio come la progettazione ha dovuto adeguarsi a un maggior impiego di plastica e composito, così ha dovuto fare la simulazione. In particolare, ogni ambiguità deve essere eliminata nella tecnologia di simulazione, vale a dire che la rappresentazione di plastica e compositi deve essere molto precisa.

La maggior parte dei simulatori rappresentano la plastica come “metallo nero” e i compositi come “alluminio nero”. Molte software house hanno inserito nelle loro soluzioni alcuni livelli di comportamento non uniforme, ma solo a livello di superficie. Un modello veramente realistico deve considerare in modo accurato:

proprietà specifiche delle fibre e della matrice;

composizione di tutti i singoli materiali;

Influenza del processo di produzione (stampaggio per compressione, stampaggio per iniezione, mucell…).

L’approccio del modello multi-scala prevede un’indagine approfondita sul materiale composito a livello microscopico. La tecnologia di omogeneizzazione fornisce modelli micromeccanici che possono tener conto dell’impatto dell’orientamento delle fibre sulle proprietà del materiale. Nell’analisi strutturale, sia essa a livello di provino, parte o assieme, questi modelli di materiale possono essere accoppiati con i risultati derivanti dalla simulazione del processo.

Gli strumenti convenzionali di simulazione supportano in modo eccellente la modellazione geometrica di un componente, i carichi, la fisica delle deformazioni, ecc. incorporando il comportamento dettagliato dei materiali compositi, il ciclo di simulazione può perseguire una maggiore precisione.

A differenza dei metalli, le proprietà della plastica e dei materiali compositi possono cambiare in modo rilevante in relazione al processo produttivo nel quale sono coinvolti. Un componente metallico stampato si comporta praticamente sempre nello stesso modo, a prescindere dal processo con il quale viene realizzato. Viceversa, il processo produttivo può cambiare in modo significativo il comportamento di un componente in materiale plastico rinforzato con fibra, influendo sull’orientamento delle fibre nella matrice di resina epossidica del composito. Le proprietà indicate nella scheda tecnica del fornitore di materiale non tengono spesso conto dell’influenza che il processo produttivo ha sul materiale stesso.

I progettisti devono invece tenerne conto per evitare problemi e rotture. Essi possono approssimare il comportamento di un nuovo materiale, ma ciò conduce inevitabilmente a un sovradimensionamento del componente per evitarne la rottura. Ciò contraddice i principi di una progettazione con materiale plastico e composito, il cui scopo è proprio quello di ridurre i pesi e usare meno materiale. Ogni sovradimensionamento implica inoltre un inutile incremento dei costi.

Chi sviluppa tecnologie di simulazione deve rispondere con una nuova generazione di strumenti in grado di rappresentare accuratamente il comportamento di materiali plastici e compositi nelle reali condizioni operative.

 

 

L’approccio del modello multi-scala prevede un’indagine approfondita sul materiale composito a livello microscopico. La tecnologia di omogeneizzazione fornisce modelli micromeccanici che possono tener conto dell’impatto dell’orientamento delle fibre sulle proprietà del materiale. Nell’analisi strutturale, sia essa a livello di provino, parte o assieme, questi modelli di materiale possono essere accoppiati con i risultati derivanti dalla simulazione del processo.

 

 

 

 

 

 

 

Analisi multi-scala di un car crash frontale, con paraurti stampato a iniezione. Il confronto mostra le sollecitazioni massime nel caso di modelli relativi a materiale isotropo e anisotropo. Come si può vedere, il passaggio a un’analisi multi-scala cambia non solo le sollecitazioni locali, ma anche la resistenza a rottura della parte descritta.

 

 

Simulare, non prototipare

Gli OEM del settore automotive non possono permettersi di realizzare modelli fisici per valutare le iterazioni fra le parti di un sottosistema. Useremo il termine Prototipazione per indicare questo tipo di test per una parte o per un assieme, anche se nell’industria automobilistica tale termine viene riservato a verifiche e test di veicoli assemblati. A livello di parte o di assieme, il test di un modello fisico consiste normalmente nell’attuazione del Processo di Approvazione della Produzione della Parte (PPAP – Production Part ApprovalProcess) o nei test di validazione, in alternativa a una reale e completa prototipazione. Formalismo a parte, ridurre modellazione e test fisici è d’obbligo in un progetto d’auto. I materiali compositi sono molto più costosi dei metalli. Il loro costo è compensato da caratteristiche che consentono ai progettisti di combinare molte funzioni e componenti in un unico assieme.

Tuttavia, se l’ottimizzazione di un progetto con materiali compositi comportasse più modellazione fisica, ogni vantaggio svanirebbe.

Le funzionalità estese dei prodotti MSC Software per i compositi aiutano a modellare in maniera dettagliata il comportamento dei materiali compositi complessi e quindi ad analizzare e migliorare il design delle parti. La tecnologia MSC Nastran permette di simulare il comportamento di numerose tipologie di compositi, come termoplastici con fibre continue, pannelli sandwich, plastiche rinforzate, nano-compositi, metalli duri e altri.

È possibile effettuare analisi lineari e non lineari, per prevedere accuratamente la risposta delle strutture, analisi del danneggiamento progressivo, ottimizzazione. Digimat, il prodotto di e-Xstream Engineering, società recentemente acquisita da MSC Software, consente di effettuare analisi di multiscala sui compositi, per calcolare le loro proprietà meccaniche, termi che ed elettriche e utilizzarle poi in ogni tipo di analisi a elementi finiti a valle.

Vediamo ora, attraverso un esempio, come si articola un progetto con materiali compositi: un fornitore OEM nel settore automotive desidera riprogettare in materiale composito un supporto metallico di motore, per ridurne il peso. I progettisti sviluppano la geometria del nuovo supporto in un ambiente CAD 3D. Il suo peso risulta essere di 1.2 chilogrammi. La simulazione evidenzia che il supporto motore svolge la sua funzione sotto carico normale e in normali condizioni operative.

Attraverso un’analisi ad elementi finiti destinata a stabilire il comportamento del materiale, in base alla forma e alla funzione del componente, il team di progettazione esegue una serie di iterazioni per simulare le prestazioni del supporto, riducendone la massa del 40 percento senza comprometterne le prestazioni. Tale riduzione della massa equivale a una riduzione del 15 percento nel costo del supporto.

Ciò è quanto un team di progettazione può ottenere quando dispone di strumenti idonei per la modellazione e la simulazione di nuovi materiali con la stessa precisione che caratterizza l’ambito dei metalli. La simulazione dei materiali plastici e compositi è una fase essenziale per lo sviluppo di nuovi veicoli che siano in grado di ridurre il consumo di carburante e, di conseguenza, i costi e le emissioni di carbonio.

Quest’anno BMW ha avviato la produzione del modello i3 sedan a emissioni zero. Sarà il primo veicolo a grande diffusione con carrozzeria in composito di carbonio. La carrozzeria leggera consente al motore ibrido una maggiore percorrenza fra rifornimenti successivi.

Con la riduzione dei costi delle tecnologie per l’analisi ad elementi finiti e la semplificazione del loro impiego, altri OEM nel settore automobilistico possono disporre di uno strumento efficace per realizzare i loro veicoli leggeri. Sistemi di simulazione e analisi dedicati a questa tipologia di problematiche, quali MSC Nastran e Digimat, consentono di lavorare con plastica e compositi lungo tutto il ciclo di design, dall’idea alla realizzazione.

La chiave del successo è affidata ad un’accurata simulazione del comportamento di questi nuovi materiali, nelle reali condizioni di lavoro, su uno schermo di computer e non attraverso una serie infinita di costosi prototipi.

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