Tesi di laurea

Progettazione di un assorbitore d’urto formula SAE

L’obiettivo della seguente tesi di laurea è quello di studiare il comportamento meccanico di un assorbitore d’urto formula SAE. Il componente è costruito in Honeycomb di alluminio. Data la particolarità del materiale è stata eseguita una prova statica. Con tale analisi si determina la resistenza a un carico di compressione.

La Formula SAE è una competizione tra studenti universitari organizzata dalla Society of Automotive Engineers. Nata nel 1978 con obiettivo la realizzazione di una vettura tipo formula. La vettura viene pensata, progettata e il più possibile realizzata direttamente dagli studenti.

L’assorbitore è dimensionato per una vettura di tipo monoposto Formula SAE. La vettura deve assorbire un’energia di 7350 J in un urto a 7 m/s con una massa di 300 kg. Il crash-box deve essere in grado di dissipare l’intera energia cinetica d’impatto. In tal modo si limitano al massimo i danni al pilota e alla vettura in caso di impatto frontale.

Urto in un assorbitore

Gli urti possono essere classificati in due categorie, a seconda che si conservi o meno l’energia cinetica dopo la collisione. Nel primo caso sono detti elastici, nel secondo anelastici. Nel caso di un assorbitore d’urto, l’urto che si considera è del tipo anelastico. Dopo l’urto infatti i due corpi rimangono attaccati.

In una prova di crash, un parametro molto importante che descrive il comportamento del materiale sollecitato è la velocità di deformazione. Prove sperimentali hanno evidenziato come a parità di deformazione, la tensione nel materiale dipenda dalla velocità di deformazione. Il modello più usato per considerare questa variabile è il modello di Cowper–Symonds.

Struttura honeycomb

Per struttura a sandwich si intende un elemento costituito da due strati resistenti, detti pelli o facce, distanziati da un materiale connettivo che prende il nome di core. Il core è in genere un materiale leggero e poco resistente, la cui unica funzione è distanziare le pelli. La rigidezza assiale del core è trascurabile rispetto a quella delle pelli. La presenza del core è invece utile ad aumentare il valore della rigidezza flessionale.

assorbitore honeycomb

Nel caso in esame, abbiamo l’honeycomb come core. Ciò comporta un’ottima resistenza, oltre che alla compressione, anche all’impatto. Si rileva inoltre un’elevata capacità di assorbire energia e un peso molto contenuto dato il basso peso specifico. L’attenuatore è costituito da 5 pelli di alluminio spesse, ognuna delle quali è interposta a degli strati di honeycomb di alluminio.

Analisi statica e dinamica

I software utilizzati per le analisi numeriche di un assorbitore d’urto formula SAE sono stati i seguente

  • Rhinoceros per il CAD;
  • Hypermesh e FEMAP per mesh ed esportazione dei parametri per le analisi;
  • ANSYS ed LS-DYNA per le simulazioni.

Il massimo sforzo di Von Mises per le soll è di 17,8 Mpa. L’attenuatore è ampiamente in campo elastico dato che il valore massimo ottenuto è inferiore rispetto al carico di snervamento del materiale. Il coefficiente di sicurezza generato risulta maggiore di 2.

assorbitore urto ASNYS

La decelerazione a seguito dell’urto deve avere un picco massimo non superiore ai 40g e una decelerazione media inferiore o uguale ai 20g. I risultati delle simulazioni a crash sono stati conformi agli obiettivi preposti. Il materiale di tipo sandwich ha confermato le ottime prestazioni all’impatto e l’ottima resistenza anche a sollecitazioni statiche nella direzione assiale alle celle.

Si è deciso di effettuare anche una prova sperimentale utilizzando un pendolo con l’assorbitore vincolato a esso. Il pendolo, costituito da un blocco di cemento armato di 250 kg, andava a impattare contro quattro blocchi di pari materiale e peso. Per effettuare la prova si è usato un accelerometro piezoelettrico e anche una termo camera per studiare le variazioni di temperatura durante l’urto.

Il picco massimo di decelerazione raggiunto è pari 12g, valore è molto più basso rispetto all’analisi numerica poiché la prova è stata eseguita con un’energia molto minore rispetto ai 7350 J considerati nel modello e quindi è stato impattato soltanto il primo strato dell’assorbitore d’urto.

Clicca qui sotto per scaricare la relazione completa del progetto.

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