CAEeDesign - Motorsport - Analisi FEM di un portamozzo - Parte1

Figura 1: tipico portamozzo

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, gettando le basi per quella che sarà, nel prossimo articolo, l'evoluzione verso l'ottimizzazione topologica.

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, compromettendo 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, ma abbiamo simulato lo scenario "worst-case": la frenata al limite su un cordolo mentre si percorre una curva ad alta velocità. Lo scopo quindi è quello di 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. Ci si deve assicurare che la prima frequenza naturale del portamozzo sia ben lontana dalle frequenze eccitate dalle irregolarità del manto stradale o dalle rotazioni del motore, per evitare fenomeni di risonanza che porterebbero a cedimenti strutturali oppure 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 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).

Figura 2: Mesh Del Portamozzo

Le forze applicate sono:

1. Forza frenante: si ipotizza una forza frenante di circa 2500N diretta parallelamente al portamozzo. Si aggiunge inoltre un momento frenante di 1800 Nm. Questi valori sono valori indicativi, da letteratura. Andrebbero caratterizzati per la singola autovettura.

2. 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.

3. 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:

1. Molla verticale al centro;

2. Perno/Cerniera nei due lug;

Si procede quindi al calcolo della resistenza statica.

Si ottiene il seguente campo di spostamento e di stress.

Figura 3: spostamento totale

Figura 4: Campo 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 guarda se quel valore è dovuto ad un picco numerico o ad un fattore di concentrazione degli sforzi.

Facendo uno zoom sulla zona e togliendo gli elementi con valore l di sotto del valore di snervamento (480 MPa), si vede come lo stress massimo è relativo alle zone con collegamento RBE. Quindi siamo in presenza di concentrazione di sforzi.

Figura 5: Zone a stress elevato.

Fase del Circuito	Tempo Inizio (t)	Tempo Fine (t)	Carico Lat (L)	Carico Frenata (B)
Rettilineo Partenza	0.00	0.10	0	0
Variante Tamburello	0.10	0.13	-1 (S)	1 (Frena)
	0.13	0.16	+1 (D)	0.3
Villeneuve	0.22	0.25	-1 (S)	0.8
	0.25	0.28	+1 (D)	0
Tosa	0.32	0.38	-1 (S)	0.9
Piratella	0.44	0.48	-1 (S)	0.5
Acque Minerali	0.53	0.55	+1 (D)	0.7
	0.55	0.60	-1 (S)	0
Variante Alta	0.68	0.72	+1 (D)	0.8
	0.72	0.75	-1 (S)	0
Rivazza 1	0.82	0.86	-1 (S)	1.0
Rivazza 2	0.88	0.92	-1 (S)	0.6
Rettilineo Finale	0.92	1.00	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:

Figura 6: Vita a fatica capped a 1e8 cicli.

Sicuramente nei risultati non sono da considerare la parte di concentrazione di sforzi derivante dall'RBE.

La parte più interessante invece 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, e 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 le la risposta ricade in uno di questi range ed in quanto tempo tende a smorzarsi (e di conseguenza scegliere un buon impianto smorzante/ammortizzante).

Da quanto visto fino a qui, si vede come la simulazione CAE entra prepotentemente in ogni aspetto di analisi di un componente così semplice.

Quindi si può ipotizzare un processi di analisi come questo:

1) Analisi stato dell'arte (come questo appena fatto) statico, modale ed a fatica.

2) Ottimizzazione topologica (per alleggerire questo componente e renderlo ottimizzato).

3) Analisi di risposta in frequenza sul bump per vedere se va l'input va ad evvitare le frequenze di risonanza ed in quanto tempo smorza l'oscillazione (più è rapido, più l'autovettura aumenta la stabilità).

Questi saranno proprio gli argomenti che saranno trattati nei prossimi post della rubrica CAE&Design, mostrando come, nella realtà, una simulazione FEM non sono solo analisi colorate, ma permettono di anticipare le problematiche e capire dove investire il capitale.

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