Finite element modeling and experimental validation of a radial impact test on aluminium alloy wheel

This thesis deals with the numerical simulation of a radial impact test of an automotive wheel. The test simulates the effects caused by collisions with curbs, potholes or road irregularities. A finite element model has been developed for simulating the test. The model includes tire, wheel, striker and supporting structure. The actual structure of the tire is modeled. The tire structure is divided into three main parts: tread, undertread, and sidewalls, modeled as hyperelastic materials. A Mooney-Rivlin model is employed for describing the tire rubber material. Partitions are inserted to model the plies in which the reinforcing elements are embedded. Tire damping is included through a Rayleigh model. The Rayleigh’s parameters are experimentally identified. The developed tire model is experimentally validated. The force-displacement curves of an actual tire are measured at different inflation pressures and compared with the numerical simulations. The A356 aluminium alloy rim is modeled with an isotropic material. To take into account large deformations, both elastic and plastic material behavior’s is considered. The impact test simulation is divided into two main phases: tire inflation and impact. The inflation procedure can be considered quasi-static; therefore, it is performed by means of Abaqus/Standard solver. This model is then imported into Abaqus/Explicit to perform the impact simulation. The use of an explicit solver is almost a forced choice for problems involving impulsive phenomena such as impacts. In this phase, also the impacting mass and the support structure are modeled. Experimental tests on an impact test bench are performed to validate the developed model. The deformation of the wheel is measured by strain gauges located at the most critical areas of the wheel rim and spokes. Acceleration during the actual impact test is measured on the striker by means of PCB piezoelectric accelerometer . The impact force of the striker is measured by means of two load cells. A good agreement between measured and simulated quantities is obtained.

In questo lavoro di tesi si presenta la simulazione numerica del test d’impatto radiale su una ruota automobilistica. La prova ha lo scopo di simulare l’effetto provocato da urti contro eventuali marciapiedi, buche o irregolarità stradali. Il test è stato simulato realizzando un modello ad elementi finiti. Il modello comprende lo pneumatico, il cerchione, la massa impattante e la struttura di supporto. Lo pneumatico è stato realizzato a partire da misurazioni effettuate sulla struttura reale. Questa è stata suddivisa in tre parti principali: battistrada, carcassa interna, e spalle, modellati come materiali iperelastici. Per descrivere le loro proprietà è stato utilizzato il modello di Mooney-Rivlin. Sono poi state inserite partizioni all’interno della gomma per modellare le tele, all’interno delle quali sono inseriti gli elementi di rinforzo. Lo smorzamento è incluso attraverso il modello di Rayleigh, i cui parametri sono stati identificati sperimentalmente. Le curve di forza-spostamento del pneumatico reale, ottenute a differenti livelli di pressione, sono state confrontate con i risultati numerici ricavati dalle simulazioni. Il cerchione in lega di alluminio è stato modellato come materiale isotropo. Dal momento che esso subisce grandi deformazioni, è stato assegnato al materiale un comportamento elasto-plastico. La simulazione è stata suddivisa in due fasi principali: il gonfiaggio e l’impatto. La procedura di gonfiaggio viene eseguita in Abaqus/Standard. Questo modello viene poi importato in Abaqus/Explicit per effettuare la simulazione di impatto. In questa fase vengono introdotti nel modello anche la massa impattante e la struttura di supporto. Per validare il modello sviluppato vengono eseguiti test sperimentali su un banco prova dedicato. La deformazione del cerchione viene misurata attraverso una serie di estensimetri posizionati nelle zone più critiche del canale e delle razze. Durante la prova di impatto viene inoltre misurata l’accelerazione dell’impattatore attraverso un accelerometro piezoeletrico di tipo PCB. La forza esercitata dalla massa impattante è stata invece misurata attraverso due celle di carico. I risultati sperimentali sono stati poi confrontati con quelli ottenuti numericamente. Dal confronto si evince una buona correlazione tra le quantità misurate e i valori simulati.