Analisi strutturale agli elementi finiti di un veicolo leggero (L7e-CU) sottoposto a prove omologative di sicurezza passiva e valutazione delle performance in caso di passaggio a categoria superiore (N1)

This thesis focuses on the structural analysis of a four-wheeled light vehicle intended for the transport of goods and belonging to the L7e-CU category. The vehicle adopts an electric powertrain supplied by a combination of lithium-ion batteries, supercapacitors, and hydrogen fuel cells, which convert the chemical energy of hydrogen into electrical energy. The structural performance of the vehicle was analysed in terms of passive safety, considering both the tests required for its category and additional tests related to the higher N1 category, intended for the transport of goods with a maximum mass not exceeding 3.5 t. The objective was to evaluate the structural behaviour of the vehicle and identify the main issues with a view to a possible transition to a higher vehicle category. The analyses were carried out through finite element simulations in the Altair HyperWorks environment, using the Altair Radioss explicit solver. The numerical model was developed starting from the new chassis configuration, adapting the main vehicle components and their respective attachment systems to the structure. Components not directly involved in the structural analysis, including the fuel cell, supercapacitors, batteries, and hydrogen tank, were represented by simplified geometries to which the actual mass of the components was assigned, in order to ensure an appropriate representation of the vehicle’s dynamic response. The materials were characterised using material cards containing the mechanical properties and curves required to describe the structural behaviour and material damage. The welded connections were also modelled considering the possibility of failure during the simulation. The numerical parameters and constitutive curves used in the model are not reported in this thesis due to company confidentiality. Three passive safety structural tests were analysed: the strength of safety-belt anchorages according to UNECE Regulation No. 14, the strength of the cab structure against roof crushing according to UNECE Regulation No. 29, and driver protection against the steering mechanism in the event of a frontal impact according to UNECE Regulation No. 12. For the R14 test, the load levels specified for the N1 category were adopted. The R29 test was introduced as an additional structural assessment requested by the company, while the R12 test was considered as part of the evaluation of the vehicle’s performance against the requirements associated with the N1 category. The simulations of the R14 and R29 tests produced positive results, showing structural behaviour compatible with the requirements analysed. The R12 simulation, on the other hand, highlighted criticalities in the response of the front structure and in the rearward displacement of the steering system during the frontal impact. Based on these results, several modifications to the chassis structure were subsequently analysed, with the aim of identifying possible design solutions capable of improving the structural response and bringing the vehicle closer to the predefined safety targets.

La presente tesi riguarda l’analisi strutturale di un veicolo leggero a quattro ruote destinato al trasporto di merci, appartenente alla categoria L7e-CU. Il veicolo adotta un sistema di propulsione elettrica alimentato dalla combinazione di batterie agli ioni di litio, supercapacitori e celle a combustibile a idrogeno, in grado di convertire l’energia chimica dell’idrogeno in energia elettrica. Nella tesi sono state analizzate le prestazioni strutturali del veicolo in termini di sicurezza passiva, considerando sia le verifiche previste per la categoria di appartenenza, sia ulteriori verifiche riferite alla categoria superiore N1, destinata al trasporto di merci con massa massima non superiore a 3,5 t. L’obiettivo è stato valutare il comportamento della struttura ed individuare le principali criticità nell’ottica di un eventuale passaggio ad una categoria di omologazione superiore. Le analisi sono state sviluppate mediante simulazioni agli elementi finiti in ambiente Altair HyperWorks, utilizzando il solutore esplicito Altair Radioss. Il modello numerico è stato costruito a partire dalla nuova configurazione del telaio, adattando alla struttura le principali componenti del veicolo e i relativi sistemi di fissaggio. Le componenti non direttamente coinvolte nello studio strutturale, tra cui fuel cell, supercapacitori, batterie e serbatoio dell’idrogeno, sono state rappresentate mediante geometrie semplificate alle quali è stata associata la massa reale dei componenti, al fine di garantire una corretta rappresentazione della risposta dinamica del veicolo. La caratterizzazione dei materiali è stata effettuata mediante material card, contenenti le proprietà meccaniche e le curve necessarie alla descrizione del comportamento strutturale e del danneggiamento dei materiali. Le connessioni saldate sono state inoltre modellate considerando la possibilità di cedimento durante la simulazione. I parametri numerici e le curve costitutive utilizzati nel modello non vengono riportati nella presente tesi, in quanto soggetti a riservatezza aziendale. Sono state analizzate tre verifiche strutturali di sicurezza passiva: la resistenza degli ancoraggi delle cinture di sicurezza secondo il Regolamento UNECE R14, la resistenza della cabina allo schiacciamento del tetto secondo il Regolamento UNECE R29 e la protezione del conducente dal meccanismo di sterzo in caso di urto frontale secondo il Regolamento UNECE R12. Per la verifica R14 sono stati adottati i livelli di carico previsti per la categoria N1. La verifica R29 è stata invece introdotta come valutazione strutturale aggiuntiva richiesta dall’azienda, mentre la verifica R12 è stata considerata nell’ambito della valutazione delle prestazioni del veicolo rispetto ai requisiti associati alla categoria N1. Le simulazioni relative alle verifiche R14 e R29 hanno fornito un esito positivo, evidenziando una risposta strutturale compatibile con i requisiti analizzati. La simulazione della prova R12 ha invece evidenziato criticità nella risposta della struttura anteriore e nell’arretramento del sistema di sterzo durante l’urto frontale. A partire dai risultati ottenuti, sono state quindi analizzate alcune modifiche alla struttura del telaio, con l’obiettivo di individuare possibili soluzioni progettuali in grado di migliorare la risposta strutturale e avvicinare il veicolo ai target di sicurezza prefissati.