CAE&Design - Analisi FEM di un portamozzo - Parte1
Aggiornamento: 28 set
Nel motorsport, il portamozzo (o upright) è uno dei componenti più complessi da progettare. Rappresenta il punto di giunzione critico tra le sospensioni, l'impianto frenante e lo pneumatico. Ogni forza che l'auto scambia con l'asfalto passa inevitabilmente da qui.
In questa prima parte della serie CAE e Design dedicata al motorsport, analizzeremo lo stato dell'arte di un portamozzo in alluminio ricavato dal pieno. Questo articolo getta le basi per l'ottimizzazione topologica che tratteremo nel prossimo post.
Oltre la Semplice Resistenza
Progettare un portamozzo in alluminio non significa solo evitare che si rompa. Significa garantire la massima precisione cinematica. Se il portamozzo flette sotto carico, le angolazioni di camber e toe variano in modo incontrollato. Questo compromette il setup della vettura e la fiducia del pilota.
Per questo motivo, la nostra analisi parte da tre pilastri fondamentali:
A. Analisi Statica (Stress)
Abbiamo sottoposto il modello a casi di carico combinati. Non ci siamo limitati alla sola frenata o alla sola curva. Abbiamo simulato lo scenario "worst-case": la frenata al limite su un cordolo mentre si percorre una curva ad alta velocità. L'obiettivo è individuare i picchi di tensione (Von Mises) e verificare che il fattore di sicurezza sia omogeneo.
B. Analisi Modale: Il Controllo delle Frequenze
Perché un'analisi modale su un componente così rigido? Perché nel motorsport le vibrazioni contano. È fondamentale assicurarsi che la prima frequenza naturale del portamozzo sia ben lontana dalle frequenze eccitate dalle irregolarità del manto stradale o dalle rotazioni del motore. Questo evita fenomeni di risonanza che porterebbero a cedimenti strutturali o a variazioni di aderenza e stabilità dell'autovettura.
C. Analisi a Fatica: Progettare la Durata
Un portamozzo "light" è inutile se dura solo due giri di pista. Nel motorsport, la vita di un componente deve essere il tempo di una gara, ossia due ore. Se sai che un portamozzo deve durare solo 500 km (la durata di un weekend di gara più i test), puoi progettarlo molto più leggero rispetto a un pezzo che deve durarne 200.000 km (stradale). Per tale motivo, si deve comunque valutare la vita di un componente e vedere quanti cicli può sostenere. Utilizzando le curve S-N del materiale (solitamente Ergal 7075-T6), stimiamo la vita utile del componente basandoci sui cicli di carico tipici di un weekend di gara. Questo ci permette di passare da un design "sovradimensionato" a un design "ottimizzato per la missione".
Dati Iniziali
Consideriamo il portamozzo in figura. Il materiale considerato è una lega di alluminio (Ergal).
Le forze applicate sono:
Forza frenante: si ipotizza una forza frenante di circa 2500N diretta parallelamente al portamozzo. Si aggiunge un momento frenante di 1800 Nm. Questi valori sono indicativi e andrebbero caratterizzati per la singola autovettura.
Forza di spinta derivante dalla curva: si ipotizza una forza derivante dalla spinta dell'azione curvante. La forza è di 3500N diretta verso l'interno.
Forza di un bumper: si ipotizza una spinta verso l'alto derivante da un dosso. La forza è pari a 4500N.
Le condizioni al contorno sono:
Molla verticale al centro.
Perno/Cerniera nei due lug.
Si procede quindi al calcolo della resistenza statica. Si ottiene il seguente campo di spostamento e di stress.
Si potrebbe pensare che, dato il valore massimo di 780 MPa, la struttura non sia in grado di reggere staticamente il carico. Nella realtà, dobbiamo guardare se quel valore è dovuto a un picco numerico o a un fattore di concentrazione degli sforzi. Facendo uno zoom sulla zona e togliendo gli elementi con valore sotto il valore di snervamento (480 MPa), si vede come lo stress massimo sia relativo alle zone con collegamento RBE. Quindi siamo in presenza di concentrazione di sforzi.
Fase del Circuito | Tempo Inizio (t) | Tempo Fine (t) | Carico Lat (L) | Carico Frenata (B) |
Rettilineo Partenza | 0.00 | 0.10 | 0 | 0 |
A livello di fatica, è stato impostato un carico tipico di un giro ad Imola (qui sopra vi riporto il carico ideale). Da questa analisi, si ottiene la seguente vita a fatica:
Sicuramente nei risultati non sono da considerare la parte di concentrazione di sforzi derivante dall'RBE. La parte più interessante è quella lontano dall'RBE. Si nota come quella sia la vera parte dove potrebbe innescarsi una cricca. Ci dice che la cricca potrebbe nascere dopo 315289 cicli. Considerando che ogni ciclo è un giro, in questo caso, la struttura è pesantemente sovradimensionata a fatica. Quindi si potrebbe optare per un redesign dell'oggetto.
Facendo infine l'analisi modale, si vede come la prima frequenza sia pari a 109 Hz. In questo caso, facendo un'analisi dinamica derivante da impulso verticale, si può stimare la risposta in uno di questi range e in quanto tempo tende a smorzarsi. Questo ci aiuta a scegliere un buon impianto smorzante/ammortizzante.
Da quanto visto fino a qui, si può notare come la simulazione CAE entri prepotentemente in ogni aspetto di analisi di un componente così semplice. Quindi si può ipotizzare un processo di analisi come questo:
Analisi stato dell'arte (come questo appena fatto) statico, modale ed a fatica.
Ottimizzazione topologica (per alleggerire questo componente e renderlo ottimizzato).
Analisi di risposta in frequenza sul bump per vedere se l'input evita le frequenze di risonanza e in quanto tempo smorza l'oscillazione. Più è rapido, più l'autovettura aumenta la stabilità.
Questi saranno proprio gli argomenti che tratteremo nei prossimi post della rubrica CAE&Design. Mostreremo come, nella realtà, una simulazione FEM non è solo analisi colorate, ma permette di anticipare le problematiche e capire dove investire il capitale.
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