La co-simulazione Adams-Marc per simulare casi di carico estremi nei veicoli

Introduzione

La progettazione e il collaudo efficienti di sistemi meccanici per le automobili possono rappresentare una sfida per alcuni ingegneri in virtù della mancanza di una buona integrazione, per esempio fra software per la dinamica dei sistemi e applicativi per l’analisi degli elementi finiti (FEA). La toolchain per la co-simulazione Adams-Marc di MSC consente agli ingegneri di condurre simulazioni multifisiche fra la tecnologia FE non-lineare di Marc e il codice di simulazione dinamica multibody (MBD) di Adams. In tal modo, gli ingegneri che si occupano di dinamica multibody possono ottenere un’accuratezza superiore dei modelli includendo il comportamento strutturale non-lineare, mentre gli ingegneri che si occupano di analisi FEA possono studiare i componenti con condizioni al contorno più realistiche. L’abbinamento di queste tecnologie comporta inoltre un significativo risparmio di tempo per gli utenti di software FEA non-lineari, poiché alcune delle parti rigide in movimento possono essere risolte in Adams.

La sfida: “Pole Run Over”

Un veicolo può essere soggetto a elevati carichi di impatto varie volte durante il suo ciclo di vita. Questi casi di carico vengono spesso denominati picchi di carico e svolgono un ruolo fondamentale nello sviluppo dei veicoli, poiché possono potenzialmente indirizzare la progettazione di svariati componenti. Uno fra i casi di carico più importanti è il cosiddetto “Pole Run Over” (Figura 1), in cui il sottoscocca del veicolo viene urtato da un ostacolo (per esempio una pietra sulla strada) e subisce un’ampia deformazione. La sfida posta da un approccio MBD tradizionale è dovuta al fatto che la deformazione plastica del sottoscocca non può essere acquisita durante un’analisi del veicolo completo; di contro, se gli ingegneri tentano di simulare l’intero veicolo in un ambiente FEA, potrebbero occorrere settimane per completare anche solo una simulazione [1].

Soluzione CAE combinata

1. Co-simulazione Adams-Marc

Per affrontare sfide come il “Pole Run Over”, MSC ha collaborato con gli utenti finali per implementare un modello misto MBD e FEA non-lineare che offre il meglio dei due ambienti (Figura 2). L’analisi FEA non-lineare può essere utilizzata per descrivere accuratamente il comportamento non-lineare di componenti flessibili, inclusi deformazione plastica, materiali non-lineari, ampie deformazioni dei componenti, instabilità e self-contact. L’approccio MBD invece consente di modellare con precisione i meccanismi del sistema/in movimento e ottenere così condizioni al contorno realistiche per i componenti non-lineari con un livello di efficienza elevato. Un modello misto condurrà le simulazioni molto più velocemente di un modello completo in un’analisi FEA non-lineare, garantendo al contempo il livello necessario di accuratezza.

I due tipi di modello interagiscono in punti in cui devono essere definiti:

• un MARKER e una G FORCE nel modello Adams;
• un NODO con 6 gradi di libertà del modello Marc.

In tutti i punti di interazione Adams-Marc, Adams trasferisce gli spostamenti da imporre sul NODO in Marc. Marc trasferisce i valori di forza/coppia da utilizzare nell’elemento G FORCE in Adams.

2. Preparazione del modello

Il modello del veicolo completo utilizzato in questo studio deriva da un modello di dinamica del veicolo Adams Car di BMW (Figura 3) e contiene circa 250 gradi di libertà con 13 sottosistemi. Vi sono 14 punti di interazione fra i modelli FEA e MBD; sono stati quindi definiti 14 MARKER e G FORCE nei template Adams Car per comunicare con il modello Marc.

Il sottoscocca per il telaio BMW è stato modellato in ambiente Marc (Figura 4), con 11 corpi di contatto deformabile, 200.000 gradi di libertà e 33.000 nodi. L’ostacolo è stato a sua volta definito come un corpo rigido all’interno dello stesso modello Marc, dove 14 punti di interazione erano controllati da 14 nodi come nuova condizione al contorno.

3. Test fisico

Durante il test fisico è stata eseguita la stessa manovra già simulata: il veicolo completo viene guidato sopra un dissuasore a 30 km/h; l’altezza del dissuasore è dipendente dall’altezza del veicolo. Il dissuasore (Figura 5) funge da ostacolo che urta il sottoscocca del veicolo (Figura 6) e, allo stesso tempo, misura la forza di contatto fra l’ostacolo e il sottoscocca. Tale forza è stata successivamente utilizzata per la correlazione con i risultati della simulazione.

Risultati e correlazione

In generale, la co-simulazione Adams-Marc ha mostrato risultati impressionanti se confrontati con la misurazione effettuata durante il test fisico. Nel seguente grafico (Figura 7), la curva rossa rappresenta la misurazione fisica della forza di contatto in direzione Z. La curva azzurra rappresenta la prima esecuzione della co-simulazione senza calibrazione dei modelli: la discrepanza relativamente ampia fra la simulazione e il test sul picco di carico è dovuta al fatto che agli ingegneri incaricati della simulazione era stata fornita la coordinata Y errata. Per tale ragione, l’evento simulato non ha rilevato il punto di contatto fra una vite del sottoscocca e l’ostacolo, contatto che ha causato il picco di carico.

Dopo che gli ingegneri hanno modificato la coordinata Y nel modello di simulazione e condotto un’altra co-simulazione, è stata generata la curva nera, che risulta nettamente più vicina al risultato del test fisico. In questo tentativo, la vite è stata aggiunta al modello Marc come una semplice giunzione anziché tramite una modellazione dettagliata della vite stessa, il che spiega la differenza rimanente fra il risultato della co-simulazione e quello del test.

Sono state condotte ulteriori analisi con una correlazione ancora più accurata fra i risultati della co-simulazione e quelli del test; tuttavia, per ragioni di riservatezza, i relativi grafici non sono stati inclusi in questo documento. Infine, una co-animazione (Figura 8), realizzata tramite i file dei risultati di Adams e Marc, è stata visualizzata in CEI Ensight.

In conclusione, con la metodologia di co-simulazione Adams-Marc, gli ingegneri di BMW e MSC sono riusciti a individuare una buona correlazione fra i risultati del test fisico e quelli della simulazione in un giorno; ciò dimostra che questa tecnologia di co-simulazione può essere utilizzata per prevedere con accuratezza ed efficienza i carichi dinamici sul veicolo persino in casi di carico estremi.

Riferimenti

1. Special Interest Groups Adams Marc Co-Simulation Kopplung der Mehrkörpersimulation(MKS) mit der nichtlinearen Finite-Elemente-Methode(FEM), C. Kopp, H. Krings, R. Bosbach (MSC Software GmbH) – Berlino, Germania, novembre 2017
2. Co-Simulation of Multi-Body-Dynamics (MBD) with Nonlinear Finite-Element-Analysis (FEA):

C. Kopp, H. Krings, T. El Dsoki (MSC Software) Deutschsprachige NAFEMS Konferenz 2018 Berechnung und Simulation – Anwendungen, Entwicklungen, Trends – Bamberga, Germania, maggio 2018

3. “BMW Case Study: Adams Marc Co-Simulation”, C. Kopp, H. Krings, Fan, Y., NAFEMS Engineering Analysis & Simulation in the Automotive Industry: Creating the Next Generation Vehicle Conference – Troy, Michigan (USA), novembre 2018

« Indice del n. 93