Through process modeling of a polymer metal hybrid structure

Due to the more and more restricting regulations in terms of vehicles carbon emission. One of the possible way to respect the new regulations is the vehicles mass reduction, since it directly affects fuel consumption. To achieve this result, particularly in load bearing components, the new polymer metal hybrid (PMH) technology has established as a viable way for mass reduction. In the following thesis, it is analyzed a structure produced with the polymer metal hybrid technology, that it is subjected to the same requirements of a front suspension control arm. The structure is a beam and it has a simplified geometry with respect a front control arm, to verify the capacity of the metallic subcomponent to perform large displacements after the failure of the polymeric subcomponent. The hybrid structure is composed by polyamide 66 reinforced with 50% mass fraction short glass fiber (PA66GF50) and aluminum. A suspension arm must transfer load between the wheel and the vehicle’s chassis and in a case of an impact absorb impact energy (to avoid to injure passengers) and avoid the detachment of the wheel from the vehicle, the same requirements are applied to the studied structure. Numerical analysis using finite element program Abaqus, are performed to evaluate the ability of the structure to respect these requirements. It is analyzed the structure considering its behavior before and after the polymer failure, implementing a damage model in Abaqus, it is also considered how the production process, affect the nonlinear properties of the polymer and so how affect the structure response. Injection molding simulations are performed using the software Moldflow, which result is the fiber orientation distribution inside the polymeric subcomponent. Nonlinear properties and anisotropy of the polymer, function of the fiber orientation, are evaluated using the software Digimat. Also, the dynamic behavior of the structure generated by the polymeric subcomponent failure is considered.

A causa delle normative sempre più restringenti in termini di emissioni atmosferiche inquinanti dei veicoli. Uno dei possibili modi di rispettare le nuove normative è la riduzione della massa del veicolo, in quanto influisce direttamente sui consumi di carburante. Per ottenere questo risultato, in particolare nei componenti strutturali, la nuova tecnologia PMH (polymer metal hybrid) si è affermata valida nel ridurre la massa dei componenti. Nella seguente tesi, viene analizzata una struttura prodotta con la tecnologia PMH, la quale deve rispettare gli stessi requisiti a cui è soggetto il braccio di controllo di una sospensione anteriore. La struttura è una trave PMH ed ha una geometria semplificata rispetto al braccio di controllo in modo tale da verificare la capacita del sottocomponente metallico di effettuare grandi spostamenti dopo la rottura del sottocomponente polimerico. I materiali selezionati per la struttura ibrida sono poliammide 66 rinforzata con il 50% in massa da fibre corte di vetro (PA66GF50) ed alluminio. Il braccio di controllo di una sospensione ha il compito di trasferire i carichi tra ruota e telaio del veicolo e nel caso di impatto assorbire l’energia d’urto (per evitare danni ad i passeggeri) ed evitare il distaccamento della ruota dal telaio, la struttura analizzata deve rispettare i medesimi requisiti. Sono state effettuate analisi numeriche utilizzando il software ad elementi finiti Abaqus, svolte a valutare la capacita della struttura di rispettare i precedenti requisiti. È stata studiata la risposta della struttura prima e dopo la rottura della parte polimerica, per far questo è stato implementato un modello di danno in Abaqus. È stato anche considerato come il processo produttivo influenzi le proprietà non lineari del polimero e quindi come influenza la risposta della struttura. Le simulazioni dello stampaggio della parte polimerica sono state effettuate utilizzando il software Moldflow, il quale risultato e l’orientamento delle fibre di vetro all’interno della parte polimerica. Le proprietà non lineari ed anisotrope influenzate dall’orientamento fibre sono state calcolate utilizzando il software Digimat. Inoltre è stato considerato il comportamento dinamico della struttura generato dalla rottura della parte polimerica.