Panoramica

In questo progetto, modelliamo e analizziamo il comportamento di schiacciamento di un assorbitore di energia in alluminio a parete sottile sottoposto a compressione assiale. L'obiettivo è valutare la sua risposta alla deformazione e la capacità di assorbimento dell'energia, fattori chiave nella progettazione della resistenza all'impatto.

Gli assorbitori di energia, noti anche come crash box, svolgono un ruolo fondamentale nei veicoli. In caso di incidente, assorbono la maggior parte dell'energia d'impatto, proteggono il telaio da eventuali danni e, soprattutto, garantiscono la sicurezza dei passeggeri. Nella figura seguente, possiamo vedere un esempio di crash box nel telaio di un veicolo.

Modellazione in Abaqus

Parti e assemblaggio

Modelliamo l'assorbitore di energia come una scatola a parete sottile con sezione quadrata di 80 × 80 mm e altezza di 400 mm. Rappresentiamo la struttura come un elemento a guscio mediante estrusione.

Due gusci rigidi planari discreti, ciascuno di 160 × 160 mm, rappresentano le piastre rigide. La simulazione posiziona la scatola tra queste piastre e applica lo schiacciamento spostando la piastra superiore verso il basso sulla struttura.

Nota: in Abaqus , le parti rigide richiedono un punto di riferimento per calcolare le forze di reazione. Questo punto di riferimento deve essere definito nel modulo della parte, non nell'assieme. Poiché qui utilizziamo il risolutore esplicito (spiegato di seguito), l'inerzia deve essere assegnata ai punti di riferimento. Il valore esatto dell'inerzia non influisce sulle forze di reazione.

Materiale e sezione

Per l'assorbitore di energia utilizziamo alluminio 2011, con le seguenti proprietà principali:

• Modulo di Young: 71,7 GPa

• Rapporto di Poisson: 0,333

• Tensione di snervamento: 169 MPa

• Densità: 2700 kg/m³

Il comportamento plastico è modellato come lineare.

Lo spessore del guscio è impostato su 2 mm con offset sulla superficie centrale.

Passo dinamico esplicito

Per questa analisi, abbiamo scelto il risolutore dinamico esplicito. A differenza del risolutore implicito, il risolutore esplicito tiene conto delle forze di inerzia e utilizza anche un metodo diverso per risolvere le equazioni matriciali. Il risolutore esplicito calcola la risposta utilizzando molti piccoli incrementi temporali discreti e avanza passo dopo passo fino al termine della simulazione. Gli ingegneri in genere utilizzano i risolutori espliciti per simulare grandi deformazioni, interazioni di contatto complesse, elevati tassi di carico o guasti dei materiali.

A causa della presenza di forze di inerzia, è importante definire la densità nel modello del materiale e anche assegnare l'inerzia alle parti rigide.

Vale anche la pena sottolineare che Abaqus calcola l'incremento di tempo stabile in base alle dimensioni dell'elemento più piccolo e alla velocità dell'onda (che dipende dalle proprietà del materiale). Minore è l'incremento di tempo, maggiore è il tempo necessario per completare la simulazione.

Applichiamo la scala di massa aumentando artificialmente la massa dell'elemento, tramite un fattore di scala di massa diretto o definendo un incremento temporale target. In questo caso, utilizziamo un incremento temporale target di 1E-6s

Condizioni al contorno e interazione

Abbiamo fissato la scatola nella parte inferiore. Abbiamo applicato uno spostamento di -300 mm alla piastra superiore (compressione del 75% della struttura) nella y , fissando tutti gli altri gradi di libertà, e abbiamo fissato completamente la piastra inferiore.

Nota: quando si specifica uno spostamento in una simulazione esplicita, è necessario definire un'ampiezza per l'aumento dello spostamento. In questo progetto, dovremmo usare un aumento lineare dello spostamento, quindi utilizziamo dati tabulari.

Per l'interazione è stato utilizzato General Contact.

Per quanto riguarda le proprietà, è stato considerato il comportamento tangenziale con un coefficiente di attrito pari a 0,4 e il comportamento normale con contatto duro.

Maglia

È stata considerata una dimensione del seme pari a 5 e sono stati utilizzati elementi S4R.

Gli elementi S4R sono elementi shell a 4 nodi con integrazione ridotta.

Risultati e interpretazione

La figura seguente mostra la scatola schiacciata dopo la deformazione

Nell'animazione seguente possiamo vedere come la scatola si piega quando la piastra superiore la schiaccia.

Dai dati di campo possiamo estrarre forze e spostamenti. La curva forza-spostamento è stata tracciata in Excel.

Durante lo schiacciamento, l'assorbitore di energia raggiunge inizialmente una forza di picco prima di cedere. La forza diminuisce poi leggermente e oscilla attorno a un valore medio, definendo la regione di plateau della curva forza-spostamento.

Ogni calo di forza nella regione del plateau corrisponde a un'instabilità nella colonna durante lo schiacciamento (come si vede nell'animazione).

Valutazione delle prestazioni

Per quanto riguarda le prestazioni degli assorbitori di energia, vengono utilizzati diversi parametri. Due parametri importanti sono l'efficienza della forza di schiacciamento e l'assorbimento specifico di energia .

Efficienza della forza di frantumazione

Durante lo schiacciamento, l'assorbitore di energia dovrebbe limitare la forza di picco iniziale per evitare un eccessivo trasferimento di carico alla cabina e ai passeggeri. Un'elevata forza di picco iniziale aumenta l'impatto trasmesso. Un assorbitore di energia efficiente mantiene le forze di schiacciamento nella zona di plateau a livelli paragonabili alla forza di picco iniziale, garantendo un assorbimento progressivo dell'energia e una maggiore sicurezza dei passeggeri. L'efficienza della forza di schiacciamento (CFE) è definita come segue:

Fmax è la forza di picco iniziale, EA è l'energia totale assorbita e d-totale è lo spostamento totale durante lo schiacciamento.

I valori CFE vanno da 0 a 1. Un CFE pari a 0 indica la prestazione peggiore, mentre un CFE pari a 1 indica la prestazione migliore.

Assorbimento di energia specifica

L'assorbimento energetico specifico determina se la struttura è leggera o meno, ed è definito come segue:

EA è ancora una volta l'assorbimento totale di energia, mentre la massa è la massa totale della struttura.

Un valore SEA superiore a 20 è accettabile e indica che la struttura è leggera.

Come possiamo trovare questi valori dalla curva forza-spostamento?

Abbiamo già la forza massima dai dati estratti da Abaqus. Dobbiamo solo calcolare l'energia assorbita. L'energia assorbita è fondamentalmente l'area sotto la curva forza-spostamento. Abaqus scrive l'output a intervalli di tempo uniformemente distribuiti. L'intervallo di tempo può essere specificato nelle opzioni di output del campo prima di inviare un lavoro. La curva forza-spostamento apparirà effettivamente come quella mostrata nella figura seguente.

È possibile scomporre la curva in trapezi. Un trapezio è mostrato nella figura sottostante:

Calcolo dell'energia assorbita mediante integrazione trapezoidale

Possiamo quindi calcolare semplicemente l'area di ciascun trapezio e sommarle per trovare l'energia totale assorbita. La formula può essere scritta brevemente come:

Dove Fi è la forza nell'intervallo i, d è lo spostamento in ciascun intervallo, che può essere ricavato dai dati di spostamento stessi, o semplicemente dividendo lo spostamento totale per il numero di intervalli (si noti che nella formula precedente, F0 è 0). Nel nostro caso, abbiamo uno spostamento totale di 300 mm e 20 intervalli di tempo, che si traduce in:

Pertanto, possiamo calcolare l'energia totale assorbita come:

Risultati: Calcolo dell'energia assorbita e della SEA

Per il nostro assorbitore di energia, l'EA risulta pari a 9,8 kJ, un buon valore per un impatto leggero.

Con una massa di 346 grammi, abbiamo:

Ciò dimostra che la struttura è leggera.

Possiamo anche calcolare Favg come:

Calcolo dell'efficienza della forza di schiacciamento (CFE)

Possiamo anche calcolare l'efficienza della forza di schiacciamento (CFE) per valutare la fluidità con cui l'assorbitore gestisce l'energia d'impatto.

Con una forza di picco iniziale di 44,7 N, possiamo calcolare il CFE:

Un CFE pari a 0,73 è accettabile e indica che la struttura assorbe la maggior parte dell'impatto, garantendo la sicurezza dei passeggeri.

Conclusione

Abbiamo modellato e analizzato con successo il comportamento allo schiacciamento di un assorbitore di energia in alluminio a parete sottile utilizzando il risolutore esplicito di Abaqus. I risultati hanno mostrato valori di prestazione accettabili sia per l'efficienza della forza di schiacciamento che per l'assorbimento specifico di energia, indicando un buon assorbimento di energia e la sicurezza dei passeggeri.

Nelle applicazioni automobilistiche reali, gli assorbitori di energia possono essere molto più complessi sia nella geometria che nei materiali. L'utilizzo di materiali compositi o leghe speciali, nonché di strutture a nido d'ape, a reticolo o auxetiche, o qualsiasi altra geometria complessa ottimizzata specificamente per l'assorbimento di energia, potrebbe migliorare significativamente le prestazioni degli assorbitori di energia.

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Khalegh Kouhi-Lakeh

Assistente di ricerca presso la KN Toosi University of Technology

Khalegh Kouhi-Lakeh è un assistente di ricerca presso la KN Toosi University of Technology ed è un esperto di simulazione con una solida esperienza nella modellazione numerica e nell'analisi ingegneristica. I suoi interessi di ricerca includono simulazioni computazionali, analisi del comportamento strutturale e l'applicazione di strumenti di simulazione avanzati alla ricerca ingegneristica.

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