Metodologie di calcolo e sperimentazione per l’alleggerimento di componenti sospensione: modellazione strutturale di barre antirollio, caratterizzazione di giunti elastomerici, omogeneizzazione ed applicazione di lattice reticolari

This thesis presents various methodologies to support the structural design and optimization of suspension components, ranging from simplified structural calculations to experimental characterization. The first methodology introduced in this thesis regards a novel experimental procedure for the characterization of elastomeric bushings connecting the lower control arm of a MacPherson suspension. This experimental procedure enables the determination of not only the translational characteristics of the bushings but also their rotational characteristics. This approach has the advantage of not requiring the dismounting of the bushings from the component itself. The damping and stiffness properties obtained allow for simplified modelling of the bushings in vehicle dynamics simulations. The results from these simulations provide forces and moments acting on individual suspension components, enabling accurate structural modelling for subsequent reliable optimization. Two homogenization methodologies for lattice truss structures are developed and presented in this thesis. Lattice structures are cellular materials that fill space through the repetition of a unit cell. These structures are often used as infill for components manufactured through additive manufacturing. One common type of lattice is the reticular lattice, where the unit cell is constituted of beams. The spatial scale of lattice infill is typically much smaller than the macroscopic scale of the component. Therefore, detailed modelling of the infill in a finite element model would result in very high preprocessing and computation times. Homogenization techniques are employed to determine an equivalent homogeneous material for the lattice structure, usable in place of the lattice while maintaining good accuracy in the structural response. The first homogenization is based on the dynamic equilibrium of the central node of the unit cell and adopts the Fourier transform. This method is purely analytical and developed for simple orthorhombic cells. The second homogenization is based on the static equilibrium of the cell and it is known as the periodicity conditions method. This method is developed both analytically and numerically. In its numerical form, the method is applicable to very complex cells, with the only requirement of periodicity in the three spatial directions. These homogenization techniques are critically compared and discussed. The lattice structure homogenization is applied to the optimization process of the previously investigated suspension lower control arm. The last methodology involves the analysis of an anti-roll bar. An analytical model based on beam theory and spline curve description of its geometry has been developed. There is a need for an analytical tool for sizing starting from a target stiffness and a known bar axis geometry. Bi-dimensional models have been developed for this purpose. However, in modern vehicles, the extreme requirement for compactness forces the geometry of the bar to assume complex shapes, for which such bi-dimensional models lose accuracy. The spline-based model developed in this thesis overcomes this limitation, allowing bar sizing in a limited time and with good accuracy in elastic response. This method is robust enough to be applied to bars with arbitrarily complex axes; its validation has been carried out on the MacPherson suspension group experimentally investigated at the beginning of this work. In experimental, analytical, and numerical forms, the methodologies described in this work can support the design of suspension components with a focus on lightweighting, from load determination for sizing to additive manufacturing-oriented design.

Questo lavoro di tesi presenta diverse metodologie che possono supportare il progetto strutturale e l’ottimizzazione di componenti sospensione, dal calcolo strutturale semplificato alla loro caratterizzazione sperimentale. La prima metodologia riguarda una nuova procedura di caratterizzazione sperimentale dei giunti elastomerici del braccetto oscillante inferiore di una sospensione MacPherson. Tale procedura permette di determinare non solo le caratteristiche traslazionali dei giunti, ma anche quelle rotazionali. Questo approccio ha il vantaggio di non richiedere lo smontaggio dei giunti dal componente stesso. Le proprietà di smorzamento e rigidezza trovate permettono la modellazione semplificata dei giunti elastomerici in simulazioni di dinamica del veicolo. Da queste è possibile ricavare le forze ed i momenti agenti sui singoli componenti della sospensione, permettendone quindi un accurata modellazione strutturale per una successiva ed affidabile ottimizzazione. Due metodologie di omogeneizzazione di strutture lattice reticolari sono state sviluppate ed esposte in questa tesi. Le strutture lattice sono materiali cellulari che possono tassellare lo spazio mediante ripetizione di una cella elementare; esse sono spesso utilizzate come riempitivi di componenti realizzati mediante manifatture additiva. Una tipologia di lattice molto diffusa è quella reticolare, dove la cella unitaria è costituita da travi. La scala spaziale di riempitivi lattice è tipicamente molto inferiore alla scala macroscopica del componente. Dunque, in un modello agli elementi finiti, la modellazione dettagliata del riempitivo comporterebbe elevati tempi di impostazione e di calcolo. Pertanto, si fa ricorso a tecniche di omogeneizzazione per determinare un materiale omogeneo equivalente alla struttura lattice, utilizzabile al posto di quest’ultima pur conservando una buona accuratezza della risposta strutturale. La prima omogeneizzazione si basa sull’equilibrio dinamico del nodo centrale di una cella, ed adotta la trasformata di Fourier. Questo metodo, solamente analitico, è sviluppato per celle ortorombiche semplici. La seconda omogeneizzazione si fonda sull’equilibrio statico della cella, ed è detta metodo delle condizioni di periodicità. Tale metodo è sviluppato sia analiticamente, sia numericamente. Nella sua forma numerica il metodo è applicabile a celle molto complesse, con il solo requisito di periodicità nelle tre direzioni spaziali. Le due metodologie di omogeneizzazione sono state criticamente confrontate e discusse. L’omogeneizzazione di strutture lattice è stata applicata al processo di ottimizzazione del braccio oscillante di sospensione indagato precedentemente. L’ultima metodologia riguarda l’analisi di barre anti-rollio. È stato sviluppato un modello analitico in teoria della trave che descrive mediante curve spline la sua geometria. Modelli bi-dimensionali sono stati sviluppati con l’esigenza di uno strumento analitico per il dimensionamento a partire da una rigidezza obiettivo e da una nota geometria della barra. Nei moderni veicoli, però, l’estrema esigenza di compattezza costringe la geometria della barra ad assumere forme complesse, per le quali tali modelli bi-dimensionali perdono in accuratezza. Il modello a spline supera tale limite, permette il veloce ed accurato dimensionamento della barra ed è sufficientemente robusto per barre con asse arbitrariamente complesso. La sua validazione è stata effettuata sul gruppo sospensione MacPherson indagato in precedenza. Declinandosi in forma sperimentale, analitica e numerica, le metodologie descritte possono supportare il progetto di componenti sospensione in ottica alleggerimento, dalla determinazione dei carichi per il dimensionamento fino alla progettazione mirata alla manifattura additiva.