On the modeling of a leaf spring : comparison between multibody and FEA techniques and experimental validation

Object of this thesis is the comparison between the multibody and finite element modeling techniques for leaf spring suspensions. The work is sustained by the correlation with quasi-static and dynamic experimental data, and the experimental modal analysis of a leaf spring rear suspension of a Ford F250. The analysis focuses mainly on two aspects: accuracy of the model and efficiency of the simulations. The work will show that in the multibody case an optimization of the model is necessary to get the actual stiffness, while the finite element model is in and of itself well-behaving in case of refined mesh. The dynamic correlation was carried out with two different approaches: the first would make the filtered tests and simulations curves matching by controlling the damping coefficient at each frequency, the second approach indeed would use a unique low damping coefficient to allow the generation of resonances and a higher friction coefficient to supply for the energy dissipation. Excellent results have been obtained with the first strategy from the two models. Contrary, with the second approach the models correctly predict the main high-freqeuncy resonances but overrate the total amount of dissipated energy As expected, from the computational point of view the multibody analysis overperforms the FEA. Finally the flexible multibody modeling technique will be presented with the modal analysis correlation as support of it.

Oggetto di questa tesi è il confronto tra la tecnica di modellazione multicorpo e agli elementi finiti per sospensioni a balestra. Il lavoro è supportato dalla correlazione con prove sperimentali quasi-statiche e dina- miche e dall’analisi modale di una molla a balestra proveniente dall’assale posteriore di una Ford F250. L’analisi si concentra principalmente su due aspetti: accuratezza del modello ed efficienza delle simulazioni. Il lavoro mostra come nel caso del modello multicorpo sia necessario un processo di ottimizzazione per catturare la rigidezza sperimentale, a differenza del modello a elementi finiti, se sufficientemente raffinato. La correlazione del comportamento ad eccitazione dinamica è stata portata a termine con due approcci differenti. Il primo prevede l’accoppiamento delle curve simulate e sperimentali per mezzo della variazione del coefficiente di smorzamento al variare della frequenza di eccitazione. Il secondo invece prevede l’utilizzo di un unico coefficiente di smorzamento che permetta la generazione delle risonanze e un coefficiente d’attrito più elevato per compensare la dissipazione di energia. Con la prima strategia sono stati ottenuti ottimi risultati. Con il secondo approccio invece entrambi i modelli alle alte frequenze mostrano le principali risonanze del modello reale, ma ne sovrastimano l’energia dissipata Da un punto di vista dell’efficienza di simulazione si vedrà come la maggior accuratezza del modello a elementi finiti avvenga a spese di un maggiore tempo di computazione. Infine verrà presentata la tecnica di modellazione multicorpo flessibile e la correlazione numerico-sperimentale dell’analisi modale.