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

AUTOMOTIVE DESIGN: SIMULAZIONE NON LINEARE AVANZATA

Toru Hiyake

Le aziende automotive possono avvalersi dell’ampia gamma di funzionalità offerta dai software ANSYS nel campo della simulazione strutturale non lineare per immettere sul mercato prodotti affidabili in tempi rapidi.
Le aziende automobilistiche devono essere competitive e per questo devono innovare. I team di progettazione sono sottoposti a forti pressioni per consegnare progetti di qualità in tempi sempre più rapidi. Per raggiungere questo obiettivo, gli ingegneri devono sviluppare processi che consentano di finalizzare il design partendo da una bozza per arrivare alla linea di montaggio nel più breve tempo possibile. La simulazione è un elemento chiave nel ridurre i tempi di sviluppo poiché consente di effettuare innumerevoli iterazioni di progetto al fine di soddisfare i requisiti di produzione prevedendo il comportamento che il prodotto avrà nella vita reale, ancor prima di effettuare i test. L’analisi consente agli ingegneri di determinare le prestazioni e l’affidabilità in un’ampia gamma di applicazioni automotive.
Il potenziale per la simulazione in questo settore è molto ampio. Di seguito viene descritta solo una parte delle funzionalità, delle applicazioni e dei vantaggi che la simulazione può portare.

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GOMMA ANTI-VIBRAZIONE
La gomma anti-vibrazione ha caratteristiche elastiche e viscose. Quando applicata ad aree di connessione tra i componenti automotive, essa blocca la trasmissione delle vibrazioni. Un metodo per progettarla è dato dall’utilizzo dell’elemento non lineare COMBIN14 in ANSYS Mechanical. Questo consente di creare un modello del comportamento non lineare della gomma usando direttamente le caratteristiche di ammortizzazione così come sono ottenute attraverso la sperimentazione.
Un esempio di come questa tecnica può essere utilizzata è l’analisi della resistenza del braccio di controllo inferiore di una sospensione nel quale è stata simulata la presenza di una molla non lineare in due diverse boccole.
Tuttavia, una valutazione dettagliata delle prestazioni di un prodotto in gomma anti vibrazioni richiede l’analisi di un modello tridimensionale. È importante identificare correttamente le caratteristiche di questo materiale non lineare per assicurare un’accurata analisi a convergenza. Per caratterizzare il materiale in gomma, ANSYS Mechanical offre più di 10 modelli iperelastici costitutivi (inclusi i modelli Mooney-Rivlin e Ogden). I parametri inclusi in questi modelli possono essere determinati automaticamente dai dati sperimentali usando tool di curve-fitting per evitare possibili difficoltà nella convergenza. Uno speciale elemento a tetraedri di ordine inferiore che incorpora un metodo misto u-P (per maneggiare sia lo spostamento che la pressione come variabili) è disponibile in ANSYS Mechanical per l’utilizzo con materiali in gomma quasi incomprimibili. L’uso di questo elemento facilita la risoluzione di grandi e complicate deformazioni della gomma e condizioni di contatto complesse che potrebbero richiedere molto tempo ed essere più difficili usando altri tipi di elementi.
Alcune gomme anti-vibrazione contengono un liquido che fornisce resistenza fluida per ottimizzare l’attenuazione. Un esempio è il liquido di guarnizione della piastra motore. Un’analisi dettagliata di questo tipo di prodotti deve tener conto sia delle caratteristiche strutturali sia di quelle fluidodinamiche. Per risolvere queste problematiche, ANSYS offre una tecnologia multifisica che accoppia un solutore strutturale (ANSYS Mechanical) e uno fluidodinamico (ANSYS Fluent o ANSYS CFX) che consente soluzioni accoppiate fluido-struttura (analisi two-way con interazione fluido-strutturale (FSI)).

Uso del modello non lineare monodimensionale di un gruppo molla-ammortizzatore per effettuare l’analisi delle forze sul braccio inferiore di una sospensione

Valutazione dettagliata di una boccola antivibrazione in gomma

 

Contorni di sforzo per le boccole in gomma

 

Simulazione multi-fisica di un fissaggio motore a liquido sigillato

 

PNEUMATICI E SOSPENSIONI
Gli pneumatici sono la sola parte del veicolo a contatto con il suolo e influenzano molto le prestazioni del veicolo, dalla sicurezza al livello di rumorosità, alle vibrazioni. La simulazione dei pneumatici richiede una tecnologia di design per strutture complesse. ANSYS offre elementi di rinforzo speciali (REINF263-265) per progettare le molte strutture di rinforzo all’interno dello pneumatico.
La pressione dell’aria non è sempre costante nel tempo a causa della deformazione prodotta dal contatto col suolo. Queste variazioni causate dalla geometria possono essere espresse definendo un elemento fluido idrostatico (HSFLD241-242) per lo pneumatico.
Le sospensioni migliorano la qualità di guida e la stabilità dello sterzo. Insieme agli pneumatici, le sospensioni sono importanti per controllare le caratteristiche dinamiche del veicolo. Le sospensioni espletano la loro funzione solo quando sorreggono il peso del veicolo per cui sono molto importanti le caratteristiche dello stato iniziale. Per simulazioni come questa, l’ambiente ANSYS Workbench offre un processo di analisi chiamato perturbazione lineare. Per effettuare un’analisi statica/dinamica delle sospensioni a balestra bisogna innanzitutto aggiungere il carico suddiviso del peso del veicolo al modello di sospensione e determinare la deformazione dovuta al peso statico (analisi statica). In questo esempio, questo stadio consiste nell’effettuazione di analisi non lineari che prevedono il contatto tra le balestre, oltre che nella progettazione dello pneumatico come prima descritto. Successivamente, bisogna eseguire un’analisi degli autovalori con lo stesso modello (analisi modale). Tutte le condizioni iniziali richieste per questa fase, come la deformazione del peso morto e i risultanti carichi lineari, vengono passati all’analisi modale semplicemente con un’operazione drag-and-drop in Workbench. Infine, si può eseguire un’analisi di risposta di frequenza modale (risposta armonica). Ancora, le informazioni di setup richieste per il calcolo di risposta della frequenza possono essere passate automaticamente da un’analisi modale con una semplice operazione di trascinamento.

 

 

Analisi non lineare dell’area di contatto di uno pneumatico

 

FRENI
I freni sono uno dei più importanti componenti per la sicurezza e devono avere prestazioni costanti e prevedibili. Il freno è costituito da un disco rotante e da pastiglie che lo stringono su entrambi i lati. I freni generano calore, abrasione e rumore, ciascuno dei quali sono soggetti a revisione della progettazione da parte degli ingegneri. ANSYS Mechanical consente di progettare uno o più di questi fenomeni usando elementi di contatto per assicurare prestazioni adeguate, sicurezza e comfort del passeggero.

SURRISCALDAMENTO DELLA FRIZIONE
L’uso di elementi accoppiati in ANSYS Mechanical (SOLID223, 226, 227) consente un’unica analisi che include riscaldamento, trasmissione del calore e deformazione strutturale.

USURA DA ATTRITO
L’usura da attrito può essere espressa applicando un modello tra gli elementi di contatto. ANSYS mette a disposizione il modello Archard per calcolare le dissipazioni di abrasione dovute all’attrito.

RUMORE/FRENATA
La generazione di rumore in frenata si riferisce alla vibrazione da attrito (oscillazione autosufficiente) che si verifica tra il disco e le pastiglie. Un metodo per valutare questa vibrazione è attraverso i criteri di stabilità ampiamente usati nelle teorie di controllo. Questo criterio può identificare dove il movimento è stabile o instabile risolvendo un’equazione caratteristica (problema agli autovalori complessi). Impostando un coefficiente di attrito nella regione di contatto tra disco e pastiglie, ANSYS Mechanical può automaticamente determinare modi stabili e non. L’instabilità è spesso associata al rumore, alla vibrazione e alle asperità del terreno.

MOTORE
Un motore comprende molte parti e solo una piccola parte delle possibilità offerte dalla simulazione può essere spiegata in questo articolo.

Guarnizioni
Le guarnizioni rendono la struttura ermetica agendo in molte direzioni. Esse hanno caratteristiche non lineari significative. Gli elementi speciali (INTER192-195) e un modello di materiale delle guarnizioni in ANSYS Mechanical possono essere usati per progettare guarnizioni complesse e per valutare il comportamento di una guarnizione installata tra il blocco cilindrico e la testa.

Bulloni e prigionieri
Sono solitamente usati per connettere tra loro le varie parti in molti macchinari e applicazioni.
Ad esempio, i progionieri connettono il blocco cilindri e la testa (con una guarnizione tra essi). ANSYS Mechanical include una funzionalità di modellazione dei bulloni facilmente configurabile per rappresentare la forza di serraggio e le conseguenti variazioni del precarico dovute ad altri carichi esterni.
Anche se la filettatura del bullone può essere accuratamente progettata usando il contatto, questo metodo richiede di solito un incremento nel calcolo dei costi dovuto all’inclusione di dettagli minuti. ANSYS Mechanical offre tecnologia per simulare l’influenza della filettatura del bullone semplicemente usando informazioni sulla filettatura.

 


ALTRE FUNZIONALITà DI COMPRESSIONE DEI PROCESSI
ANSYS Mechanical comprende la Component Mode Synthesis (CMS) in cui viene mantenuta la flessibilità del modello mentre viene ridotto il numero di gradi di libertà (DOF). CMS analizza molti modelli come un set di componenti interconnesse. Ciascuna di esse si comporta come un superelemento che aggrega molti elementi individuali dal modello iniziale riducendo i gradi di libertà e i tempi di soluzione per modelli su larga scala.
ANSYS Mechanical è inoltre dotato di funzionalità di analisi acustica che possono essere usate per soluzioni multifisiche di campi elettromagnetici campo-struttura-acustica quando usato in congiunzione con ANSYS Maxwell per le analisi elettromagnetiche.
La simulazione strutturale è solo uno dei modi che le aziende hanno a disposizione per progettare i processi di produzione automotive. Anche la simulazione fluidodinamica ed elettronica possono essere impiegate insieme a tutte le altre branche della progettazione in un’unica piattaforma multifisica per avere una visione completa.
La simulazione diventa sempre più affidabile e contiene sempre più branche della fisica per cui l’impiego di un solido high performance computing (HPC) può facilitarne l’utilizzo e le performance. Inoltre, studi parametrici automatizzati e fisiche multiple generano una grossa mole di dati che devono essere gestiti e condivisi quindi è necessario un supporto specializzato.

Pubblicato sul num. 2/2015 di “Advantage” (Ansys), Per gentile concessione.

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