I rilevanti vantaggi delle costruzioni leggere nelle complesse strutture adesive per la produzione dei veicoli

Dott. Halvar Schmidt, Istituto Fraunhofer per la Durevolezza Strutturale ed Affidabilità dei Sistemi LBF

Intervista: Dott. Halvar Schmidt, vincitore del Premio HBM 2014

Nell'ambito del quarto Simposio della Durevolezza Strutturale a Darmstadt' (SoSDiD), il Dott. Halvar Schmidt, ricercatore presso l'Istituto Fraunhofer per la Durevolezza Strutturale ed Affidabilità dei Sistemi LBF, ha ricevuto il Premio HBM per la sua dissertazione "Analisi della sollecitazione delle vibrazioni di giunti incollati soggetti a carichi di ampiezza variabile".

Progettare complesse strutture adesive per la produzione di automobili ottenendo notevoli vantaggi dalle costruzioni leggere – questo è l'aspetto più interessante della procedura di calcolo sviluppata dal Dott. Halvar Schmidt. In un'intervista, egli rivela quali vantaggi promette questa procedura e cosa essa significhi per lo sviluppo dell'industria automobilistica.

Avete sviluppato una procedura di calcolo che ha reso possibile lo sfruttamento dei notevoli vantaggi delle costruzioni leggere nelle complesse strutture adesive per la produzione di automobili. Quali sono i vantaggi principali di questo metodo? 

Un grande vantaggio è sicuramente che la procedura è orientata all'applicazione. Essa è stata progettata per garantire questo aspetto sia in termini di determinazione sperimentale dei parametri che di analisi numerica della vita alla fatica. Ciò comprende i provini ed i carichi considerati (vedere figure 1 e 2), nonché i vincoli del processo di calcolo. Ad esempio, i calcoli puramente elastico-lineari con brevi tempi di calcolo e scalabilità garantita, producono rapidamente risultati tangibili.

Inoltre, è stato dimostrato sperimentalmente che è possibile impiegare questo metodo anche per costruzioni leggere con giunti incollati, se vengono presi in considerazione i carichi effettivi variabili in modo casuale (vedere figura 3). 

Fig. 1: Provino simile al componente reale (campione reale a sinistra, modello CAD con elementi di montaggio a destra)
Fig. 2: Spettro di carico utilizzato, 'CARLOS verticale, modificato'

Qual'è il concreto significato dei risultati della vostra ricerca per gli sviluppatori automobilistici? Verrà accelerato lo sviluppo di metodi innovativi per la costruzione delle scocche?

Il nostro lavoro di ricerca non intende rivoluzionare l'industria automobilistica. Tuttavia, nel campo della durevolezza, la tecnologia di incollaggio si trova ancora nella sua fase infantile. I risultati costituiscono un contributo per meglio valutare i giunti incollati quale parti progettuali delle strutture di accoppiamento, allo scopo di meglio sfruttare il loro pieno potenziale. Ciò consente, ad esempio, di evitare il sovradimensionamento, i pesi ed i costi non necessari per i prototipi, mediante un analisi numerica più affidabile. 

Nell'ambito delle indagini preliminari con sottili lamiere metalliche saldate, tramite le prove furono identificati i criteri di frattura ed i metodi per rilevare le cricche nascenti. Per analizzare le rigidità e sollecitazioni cicliche furono usati sia gli estensimetri che l'analisi termoelastica delle sollecitazioni. Quali sono i vantaggi degli estensimetri? Cosa vi ha indotto ad utilizzare gli estensimetri della HBM?

In genere, il vantaggio degli estensimetri risiede nella loro capacità di misurare deformazioni locali in aree definibili con precisione, in modo affidabile e con alta sensibilità. Quando si rilevano cricche nascenti, ciò consente di rispondere ai più piccoli cambiamenti (in questo caso le deformazioni superficiali causate dalle traslazioni di deformazione provocate dalla formazione e propagazione delle cricche), nella zona dei giunti di accoppiamento. Furono usati gli estensimetri della HBM grazie all'ottima esperienza nelle precedenti applicazioni, alla loro affidabilità ed accuratezza di misura. Era inoltre disponibile un'ampia gamma di estensimetri adatti ai nostri scopi, vedere figura 4.

Fig. 4: ER applicati su un provino saldato a punti
Misurazioni con estensimetri su un provino saldato a punti
ER applicati su un provino incollato

L'evoluzione dell'analisi numerica della vita alla fatica supporta le costruzioni leggere ed incrementa l'uso di strutture adesive nella produzione di automobili. Fra l'altro Voi usate il software nCode GlyphWorks. Come ne valutate le capacità prestazionali?

Innanzi tutto il software a cui vi riferite è a misura di utente. Insieme all'interfaccia utente, sono comprese opzioni per l'ulteriore elaborazione ed adattamento dei requisiti individuali, utili soprattutto quando si sviluppano o si ampliano i metodi di calcolo. I concetti ed i metodi che sono già implementati nel software, insieme ad nCode DesignLife, sono molto numerosi ed offrono una corrispondente ampia gamma di impieghi pratici. 

Fig. 5: nCode GlyphWorks della HBM
Fig. 6: nCode DesignLife della HBM

Il vostro lavoro dimostra che,  per essere in grado di applicare l'analisi di vita alla fatica basata sulla meccanica della frattura ai componenti in modo significativo, è necessaria un'indagine differenziata delle fasi di inizio e di propagazione delle cricche. Quanto ritenete importante l'impiego dei sensori a griglia di fibra ottica a tale proposito?

Ciò capita spesso, ma naturalmente dipende dalla specifica applicazione. In genere si tratta di una tecnologia molto promettente, che consente una più precisa considerazione della vita operativa ed in particolare del comportamento a frattura dei componenti o strutture. Spesso si possiede una scarsa conoscenza in quest'ambito nonostante che, ad esempio, l'importanza dei sensori a griglia di fibra ottica nella generazione dei dati base per il calcolo numerico sia vitale. La possibilità di incorporare i sensori a fibra ottica nelle plastiche rinforzate con fibre, sempre  sempre più frequentemente utilizzate, oppure in ambienti soggetti ad alte tensioni (per esempio nelle automobili elettriche), offre opzioni di misura interessanti.

Fig. 7: OptiMet OMF, fibra monomodale della HBM

A questo punto, può fornirci una prospettiva del vostro futuro lavoro di ricerca?

Per conseguire la più completa conoscenza possibile è stato svolto, e si sta tuttora svolgendo, molto lavoro nel settore della durevolezza dei giunti di connessione, specialmente per i giunti adesivi. Ciò in relazione alle conoscenze riguardanti i giunti adesivi, ancora piuttosto lacunose, ad esempio nell'ambito dell'analisi numerica della vita alla fatica di strutture adesive soggette a carico multiassiale, oppure della resistenza alle vibrazioni di giunti strutturali incollati, ove il livello di conoscenza può essere ulteriormente migliorato. Ad esempio, il Laboratorio sulla Durevolezza Fraunhofer di Darmstadt, Germania, sta conducendo prove in questo campo su strati graduati di adesivo utilizzando i collanti a doppia cura recentemente sviluppati per le plastiche.

Da parte mia, posso affermare che in futuro la mia maggiore attenzione sarà dedicata al tema più generale della durevolezza dei veicoli completi.

Simposio sulla Durevolezza Strutturale a Darmstadt (SoSDiD)

Istituto Fraunhofer per la Durevolezza Strutturale ed Affidabilità dei Sistemi LBF

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