Progettazione a fatica di una ruota compressore per autovetture

The following thesis is the result of the collaboration between Politecnico di Milano and Ferrari S.p.A. and it concerns the implementation of an innovative methodology to verify the fatigue of a centrifugal impeller of a vehicle turbocharger. In particular, the compressor used by Ferrari V8 engines has been analysed in order to quantify and to evaluate both the damage and the safety factor. The fatigue which acts on this component has a variable and multiaxial scale, and it requires a statistical approach due to the complexity of the phenomenon. In order to assess the correct value of the fatigue value, the loading spectrum is necessary: actual operating stories of Ferrari turbo were measured under different conditions (motorway, track, mixed, etc.) and the respective load histories were computed. The analysis of the fatigue is based on finite element numerical models which reproduce the real functioning of the compressor on the road. Numerical models have been validated by experimental measurements, resulted in a overspeed induced on the turbocharger. The steps taken, to realize the numerical models adopted, are explained in detail. Moreover, the study, essential for accurate results from analysis to fatigue, on the Al2618-T61 material of the compressor is shown. At the end conclusions, critical analysis and ideas for future developments are proposed.

La seguente tesi è nata dalla collaborazione tra il Politecnico di Milano e Ferrari S.p.A. e riguarda l’implementazione di una metodologia per la verifica a fatica di un compressore centrifugo di un turbocompressore. In particolare si è analizzato a fatica il compressore utilizzato da Ferrari nei motori V8 al fine di quantificarne il margine di funzionamento, valutando sia il danneggiamento che il fattore di sicurezza. La fatica che agisce su tale componente è ad ampiezza variabile e multiassiale, e, a causa della complessità del fenomeno, richiede un approccio progettuale di tipo statistico. Al fine della corretta verifica a fatica è necessario conoscere lo specifico spettro di carico: sono stati misurate perciò le reali storie di funzionamento del turbo Ferrari in differenti condizioni (autostrada, pista, misto etc.) e sono state ricreate da queste le rispettive storie di carico. L’analisi a fatica è basata su modelli numerici ad elementi finiti che riproducono il funzionamento nominale del compressore su strada. I modelli numerici sono validati da misurazioni sperimentali, conseguenti ad un fuori giri indotto al turbocompressore. Sono spiegati nel dettaglio i passaggi per realizzare i modelli numerici adottati. Inoltre, vengono mostrati gli studi condotti sul materiale Al2618-T61 del compressore, fondamentale per ottenere dei risultati accurati dall’analisi a fatica. Infine vengono proposte conclusioni, analisi critiche e forniti spunti per possibili sviluppi futuri.