Le simulazioni con Adams permettono di ridurre del 30% il tempo per eseguire i test sul veicolo
Opel aggiorna continuamente la sua flotta, sviluppando nuovi modelli che offrono stile, caratteristiche e funzionalità innovative, per mantenere la sua posizione di leadership. Prima del lancio, ogni nuovo modello di veicolo viene sottoposto ad analisi di durability per garantire una durata a fatica dei componenti per tutta la vita del veicolo stesso. Gli attuali tempi di sviluppo non sono compatibili con la necessaria percorrenza chilometrica per coprire tutti i cicli di affaticamento dei componenti: una soluzione a questo problema è inserire il veicolo su un simulatore di strada.
Sul simulatore ogni ruota del veicolo è collegata a un attuatore che fornisce gli input stradali 24 ore al giorno, senza bisogno di un guidatore: in questo modo il tempo necessario per eseguire i test si riduce notevolmente, applicando solo i carichi significativi e potenzialmente dannosi, simulando l’effetto di una buca o di un ostacolo, trascurando quei carichi presenti in gran parte della durata del veicolo, ma più bassi come entità, e non influenti ai fini della durata a fatica.
Le condizioni di carico alle ruote del veicolo sono misurate mediante ruote dinamometriche che valutano forze e coppie a centro ruota del veicolo reale, guidato da un collaudatore su una pista di prova: tale processo di acquisizione andrà a determinare le storie di carico stradali (RLDA). Altri componenti critici del veicolo sono dotati di accelerometri e/o estensimetri che permettono di creare i segnali di guida per verificare a fatica i singoli componenti. La pista di prova Opel a Dudenhofen, in Germania, è stata realizzata per riprodurre gli eventi più significativi della vita tipica di un veicolo, come la cosiddetta pista belga costituita da pavè, buche, dossi e diversi tipi di superfici irregolari. Occorrono circa 10 giorni per strumentare il veicolo ed eseguire le diverse misurazioni sulla pista prova, al fine di ottenere le storie temporali di carico; altri 10 giorni sono necessari per elaborare i dati da fornire al simulatore di strada, e simulare tutti gli eventi necessari a verificare l’intera vita a fatica del veicolo nel minor tempo possibile.
“Volevamo migliorare questo processo perché la determinazione dei carichi stradali (RLDA) in modo tradizionale, non può cominciare fino a quando i primi prototipi di veicoli non sono disponibili, e ciò avviene nell’ultima fase del processo di sviluppo del prodotto”, ha dichiarato Jens Jaeckering, Technical Integration Engineer di Opel. “Questo aspetto, rende critici i test di durability dei veicoli, perchè l’intero programma non può chiudersi prima che questi siano completati: inoltre il prototipo per definire la RLDA, la sua realizzazione, strumentazione ed esecuzione dei test sulla pista di prova nell’arco delle 24 ore, ha costi elevati, anche di centinaia di migliaia di dollari”.
Creazione di una pista di prova virtuale sulla base delle misurazioni
Opel ha incaricato una società esterna per eseguire una scansione ottica tridimensionale delle traiettorie adottate nei test di durability, allo scopo di creare un modello di superficie con un’accuratezza superiore ai 5mm: questa strada virtuale è stata poi utilizzata nelle simulazioni per definire con precisione il reale percorso sulla pista di prova.
Modello del progetto del prossimo veicolo in MSC Adams
Gli ingegneri Opel hanno inizialmente utilizzato Adams/Car per modellare velocemente i vari sottosistemi dei loro veicoli, come i sistemi di guida, le sospensioni, le trasmissioni e tutti gli elementi necessari per simulare e poi ottimizzare il comportamento dinamico dell’intero veicolo.
Attualmente, dopo aver creato i database con la maggior parte dei veicoli esistenti in Adams, gli ingegneri Opel per creare i nuovi modelli virtuali, partono dai modelli esistenti, già validati da acquisizioni sperimentali, sostituendo i vecchi sottosistemi con i nuovi; in quest’ottica, essendo gli pneumatici uno degli elementi più importanti ai fini della definizione delle storie di carico stradali affaticanti (RLDA), i nuovi modelli di veicolo, sono equipaggiati con il nuovo modello matematico di pneumatico Ftire, con dati forniti dai produttori di pneumatici. Aggiornamenti nella creazione dei veicoli quali la nuova versione Astra compact a due volumi, hanno riguardato l’inserimento come corpi flessibili di elementi critici, quali la scocca, le staffe di collegamento del motore, il ponte posteriore e i braccetti delle sospensioni: è stato possibile fare questo utilizzando codici agli elementi finiti (FEM), che attraverso un’analisi modale, consentono di importare in Adams, mediante un file esterno (MNF), il comportamento flessionale e vibrazionale di tali elementi.
Simulazione numerica di un nuovo veicolo su pista di prova
Gli ingegneri Opel utilizzano come input al modello di guida, informazioni derivanti dalle prove in pista, quali marcia inserita, informazioni sulla velocità e i segnali di frenata del veicolo, angolo di sterzo e accelerazione, implementando tali dati nel modello di guida in Adams/Car. Per facilitare queste operazioni, sono stati creati in Adams dei processi automatizzati guidati, che eseguono i test di durability, esportano le storie temporali dei sensori acquisite come se fossero segnali derivanti dalla sperimentazione, ed elaborando tali segnali, si è in grado di fornire al simulatore di strada, gli input da assegnare agli attuatori collegati alle ruote del veicolo reale. Le storie di carico sui componenti critici, vengono utilizzate per produrre i segnali di guida per le prove a fatica di tutti i componenti.
Risultati e correlazione
Gli ingegneri Opel hanno usato i metodi descritti per creare i cicli affaticanti di carico (RLDA), con simulazioni numeriche degli interi processi su un numero elevato di veicoli: è stato successivamente fatto un confronto con dati sperimentali su veicoli strumentati, per verificare l’accuratezza del metodo, verificando una perfetta correlazione tra le previsioni della simulazione numerica e i rilievi sperimentali, in termini di picchi di carico e PSD (power spectral density)
Riduzione del 30% di tempo per eseguire i test
“Il processo virtuale per valutare l’RLDA, consente di iniziare le procedure di test di durability del veicolo, prima che il prototipo sia disponibile, risparmiando 10 giorni di test sperimentali sulla pista prova”, afferma Jaeckering. “La simulazione numerica permette di isolare più efficacemente le componenti più dannose dei segnali di carico da inserire nel simulatore di strada, permettendo di ridurre i tempi necessari per testare ciascun veicolo da 13 a 10 giorni: di conseguenza i test su veicolo vengono completati in 16 giorni, con un risparmio di tempo del 30%, riducendo così anche il tempo complessivo necessario per poi presentare un nuovo veicolo sul mercato”. Si risparmiano così 18 giorni di prova per le analisi a fatica sui componenti; Opel in questo modo risparmia diverse centinaia di migliaia di dollari, non dovendo più affrontare il costo di allestimento del prototipo e della campagna di test, per determinare l’LRDA.
“La simulazione numerica permette di isolare più efficacemente le componenti più dannose dei segnali di carico da inserire nel simulatore di strada, permettendo di ridurre i tempi necessari per testare ciascun veicolo, da 13 a 10 giorni: di conseguenza i test su veicolo vengono completati in 16 giorni, con un risparmio di tempo del 30%, riducendo così anche il tempo complessivo necessario per poi presentare un nuovo veicolo sul mercato”.
Jens Jaeckering
Opel Technical Integration Engineer
Opel
Opel è una delle più grandi case automobilistiche europee e fa parte del gruppo francese PSA dall’agosto 2017. Nel 2016, Opel ha venduto circa 1,2 milioni di veicoli: l’azienda possiede dieci stabilimenti produttivi, uno di ricerca e sviluppo, e un centro di test in sei paesi europei; ha oltre 37.000 dipendenti di cui più di 19.000 in Germania. Opel e il suo marchio gemello britannico Vauxhall, sono presenti in oltre 50 paesi in tutto il mondo.