Analisi di fattibilità e validazione numerica di estrusi in lega di Magnesio AZ31B per l'alleggerimento del telaio space-frame

This thesis analyses the technical and structural feasibility of replacing extruded aluminium alloy components with AZ31B magnesium alloy within a space-frame architecture. The primary objective is to achieve significant weight reduction while maintaining the required specific stiffness. The research is divided into three main phases: initially, the material was studied and tested in depth to enable the creation of a Material Card for use within the Radioss software; subsequently, the extrusions present in the space-frame structure were mapped in order to select the most suitable components for replacement, based on functional requirements and technological production constraints; Finally, an analytical sizing tool was developed in MATLAB to optimise the cross-sections, overcoming the minimum thickness limits imposed by aluminium and maximising the moment of inertia for the same mass. The validation of the identified geometries was carried out using finite element analysis (FEA) simulations with the Radioss solver. The characterisation of the materials was implemented with advanced constitutive laws, integrating experimental tensile and compression curves and damage models.The analyses included bending, tensile and compression tests on test specimens, culminating in the verification of performance in crash and roof crushing scenarios. The results demonstrate that material replacement requires a delicate balance between increased dimensions and structural performance, confirming that magnesium can only achieve performance levels comparable to aluminium if there is a thorough geometric review and careful management of jointing and instability issues.

Il presente lavoro di tesi analizza la fattibilità tecnica e strutturale della sostituzione di componenti estrusi in lega di Alluminio con la lega di Magnesio AZ31B, all'interno dell'architettura di tipo space-frame. L'obiettivo primario è il raggiungimento di un significativo lightweighting garantendo, al contempo, il mantenimento della rigidezza specifica richiesta. La ricerca si articola in tre fasi principali: inizialmente è stato studiato e testato il materiale in maniera approfondita per consentirne la creazione di una Material Card da poter utilizzare all'interno del software Radioss; in seguito è stata eseguita la mappatura degli estrusi presenti nel telaio space-frame, così da poter scegliere i componenti più adeguati alla sostituzione, in base a requisiti funzionali e vincoli tecnologici di produzione; per ultimo è stato sviluppato un tool analitico di dimensionamento in ambiente MATLAB per ottimizzare le sezioni trasversali, superando i limiti di spessore minimo imposti dall'alluminio e massimizzando il momento di inerzia a parità di massa. La validazione delle geometrie individuate è stata effettuata tramite simulazioni numeriche agli elementi finiti (FEA) utilizzando il solutore Radioss. La caratterizzazione dei materiali è stata implementata con leggi costitutive avanzate, integrando curve sperimentali di trazione e compressione e modelli di danneggiamento. Le analisi hanno compreso prove di flessione, trazione e compressione su provini, culminando nella verifica delle prestazioni in scenari di crash e schiacciamento del tetto. I risultati dimostrano come la sostituzione di materiale richieda un delicato bilanciamento tra l'aumento degli ingombri e le prestazioni strutturali, confermando che il magnesio può raggiungere prestazioni simili all'alluminio solo a fronte di una profonda revisione geometrica e di un'attenta gestione delle problematiche di giunzione e instabilità.