L’ottimizzazione topologica di Ansys per una vettura da gara più leggera e più robusta

Riceviamo e pubblichiamo con piacere questo interessante articolo di Paolo Bosetti, assistente al Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Trento, che spiega come impegare l’ottimizzazione topologica di Ansys Mechanical per realizzare un’auto più leggera, robusta e facile da costruire.

Per le squadre di studenti di ingegneria delle università di tutto il mondo la partecipazione alla competizione Formula SAE (FSAE) con la progettazione di una vettura da gara, rappresenta l’occasione di mettere in pratica divertendosi le conoscenze apprese in aula. Il team E-AGLE dell’università di Trento utilizza le soluzioni di manifattura additiva ANSYS e l’ottimizzazione topologica di ANSYS Mechanical per realizzare un’auto più leggera, robusta e facile da costruire di una tipica vettura FSAE. Per il team E-AGLE, FSAE non è solo una gara, ma rappresenta anche l’implementazione di un’idea innovativa per la progettazione e costruzione del telaio del veicolo. La squadra, con la collaborazione del team di supporto tecnico ANSYS, ha effettuato le simulazioni usando ANSYS Workbench Additive (componente di ANSYS Additive Suite) per produrre un giunto innovativo la cui robustezza dipende più dalle proprietà meccaniche dei materiali e meno dalle saldature, potenzialmente più deboli. Il giunto permette inoltre di semplificare la fase di produzione, minimizzando la necessità di supporti esterni per mantenere in sede i componenti durante la fase di saldatura. Workbench Additive ha permesso al team di rendere una parte tradizionalmente debole del telaio – il punto di giunzione in cui la sospensione si aggancia al telaio – una parte integrante del giunto stampato in 3D, anziché un punzone metallico saldato sull’esterno del giunto.  Grazie all’eliminazione del punto debole, il telaio è risultato più rigido e meno suscettibile a rotture durante la gara. Per finire, l’ottimizzazione topologica mediante  ANSYS Mechanical ha permesso di ridurre del 55% la massa di uno dei componenti del veicolo.

Le origini

Il team E-AGLE Trento è nato nel 2016 sotto la direzione della facoltà di ingegneria dell’Università di Trento. Resosi conto di dovere usare la manifattura additiva per la costruzione di alcune componenti del veicolo, il team ha stretto una partnership con la locale azienda per lo sviluppo industriale, Trentino Sviluppo, controllata dalla Provincia autonoma e finanziata dalla UE –  per poter accedere ai laboratori di progettazione meccatronica, ProM, gestiti da Trentino Sviluppo Spa, Università di Trento e Fondazione Bruno Kessler, con la partecipazione di Confindustria Trento. L’accordo portava beneficio a entrambe le parti. Il team E-AGLE aveva necessità di utilizzare le stampanti, le macchine per il taglio laser e altri strumenti innovativi di ProM, mentre quest’ultimo aveva necessità di una case study per dimostrare al mercato le proprie capacità. Il progetto FSAE rappresentava il terreno di test ideale. Il team è partito da una configurazione a telaio aperto, una scelta diversa dalla monoscocca usata da molti degli altri concorrenti. La scelta di una struttura open-frame comportava la sfida tecnica di individuare la migliore configurazione possibile di tubi metallici e giunti. L’obiettivo era di determinare la geometria di alto livello del telaio ottimizzando un parametro definito come la rigidità torsionale del telaio divisa per il peso del telaio. Dato il gran numero di variabili possibili per quanto riguarda diametro, spessore e posizioni relative dei giunti rispetto ai tubi del telaio, gli studenti hanno eseguito una serie di studi parametrici utilizzando ANSYS Mechanical all’interno dell’ambiente ANSYS Workbench per analizzare tutte le opzioni. Individuare le sezioni e lo spessore dei tubi in ogni punto del telaio era indispensabile per poter rinforzare il telaio nei punti di alto stress e allo stesso tempo minimizzare il peso totale del telaio. Gli studi di simulazione parametrica hanno permesso di determinare la configurazione ottimale di ciascun tubo e giunto in una frazione del tempo che sarebbe stato necessario con i tradizionali sistemi manuali di interazione.

I dettagli

Il team E-AGLE di Trento non voleva limitarsi al semplice disegno di un telaio soddisfacente, ma aspirava a introdurre un elemento rivoluzionario che potesse migliorare notevolmente la robustezza e costruibilità del veicolo. Questo elemento innovativo sarebbe stato rappresentato dai giunti del telaio, ovvero i punti in cui tre o più tubi del telaio si intersecano a formare un angolo. Tradizionalmente per formare il giunto i tubi vengono semplicemente saldati, ma le saldature possono rappresentare un punto di debolezza. Usando  ANSYS Mechanical e Workbench Additive, gli ingegneri hanno realizzato un giunto la cui solidità dipendeva più dalle proprietà meccaniche dei metalli che dalle saldature stesse. Hanno inoltre incorporato i punti di collegamento con le sospensioni nel giunto stampato in 3D per eliminare un altro possibile punto di debolezza.  Dopo avere determinato le dimensioni ottimali dei tubi del telaio, gli ingegneri hanno usato Workbench Additive per progettare i giunti con un diametro leggermente maggiore in modo tale che le terminazioni dei giunti potessero essere infilate nei tubi del telaio. Il giunto interno risultante ha una serie di creste longitudinali che entrano in contatto con il tubo del telaio esterno. Ciò fa sì che gli stress meccanici tra tubi e giunti siano sopportati principalmente dall’unione meccanica dei giunti nel tubo anziché dalle saldature. La terminazione del tubo del telaio ha una piccola smussatura per ospitare la lega di saldatura. Una serie di piccoli denti disposti a intervalli regolari lungo la smussatura assicurano il mantenimento della giusta distanza tra tubo e giunto. L’estrema precisione della posizione relativa di tubi e giunti presenta due importanti vantaggi:

• E’ necessario solo un punzone per l’assemblaggio del telaio. Ciò facilita l’unione dell’anello principale del telaio con la parte posteriore del veicolo durante la saldatura. Le regole FSAE stabiliscono che l’anello principale debba essere un tubo singolo, senza unioni, solo saldature. L’assemblaggio della parte posteriore del telaio non richiede punzoni in quanto la struttura è fissata dalla posizione relativa dei tubi rispetto ai giunti. Questa disposizione garantisce la precisione della saldatura e riduce molto il tempo necessario per la saldatura dell’intero telaio.
• Il telaio risultante è molto più robusto e rigido rispetto a un modello di telaio open frame solamente saldato.

“Usando l’ottimizzazione topologica gli studenti hanno potuto ridurre del 37% (da 345 a 220 g) la massa della leva a squadra.

Componenti leggeri

La riduzione del peso è il modo più ovvio per rendere un veicolo più rapido in accelerazione, e viaggiare più velocemente consumando la stessa quantità di carburante, fattore critico per ogni auto da competizione. Il team E-AGLE ha sfruttato l’ottimizzazione topologica con  ANSYS Mechanical per ridisegnare tre componenti che erano inizialmente fatti di metallo pieno: la leva a squadra, i bilancieri delle sospensioni e il meccanismo di supporto dello sterzo. L’ottimizzazione topologica determina automaticamente dove debbano essere i materiali all’interno di un certo volume in modo che carichi e stress siano gestiti in modo efficiente quando la parte viene caricata. La struttura risultante ha spazi vuoti nei quali non è necessaria la presenza di materiale e supporti più spessi nei punti in cui gli stress sono più elevati. Globalmente l’ottimizzazione topologica permette di ridurre il peso di ciascun componente. In questo caso la massa della leva a squadra è passata da 345 a 220 g, con una riduzione del 37%, mentre per il supporto dello sterzo la riduzione è stata del 44% (da 450 a 210 g).

Compensazione della deformazione termica nella manifattura additiva

La produzione additiva con letto di polveri metalliche comporta l’aggiunta di strati di materiale che vengono scaldati con un laser per fondere le polveri. Il riscaldamento seguito dal raffreddamento può provocare deformazioni e, di conseguenza, forme lontane dall’ideale. Il team E-AGLE ha usato ANSYS Workbench Additive per simulare l’entità della deformazione termica prima di effettuare la stampa 3D in modo da poter aggiustare la geometria della parte per compensare la distorsione. Un certo grado di deformazione era sempre presente, ma prevedibile e alla fine la parte risultante rispondeva esattamente alle specifiche.

La collaborazione è vincente

Grazie alla collaborazione con il team di supporto tecnico ANSYS gli studenti hanno imparato come usare  Workbench Additive e ANSYS Mechanical per progettare un telaio innovativo per la loro vettura FSAE. L’auto è risultata più leggera e robusta, con una maggiore rigidità torsionale, che si traduce in maggiore velocità, minore usura e maggiore sicurezza.