Failure of bolted connections in crash test simulations

Numerical simulations represent a key tool in crashworthiness field, since they significantly limit the time and cost related to crash tests, for the design and optimization of road restraint systems. The aim of this thesis is to develop a finite element model of bolted connections, meant as crucial components in road barriers: their failure is strictly related to the ability of a containment system to redirect the vehicle and to minimize the consequences for the occupants during an impact. The new model, made exclusively of solid elements, is designed to replace the currently used bolt, characterized by a simplified geometry of shells and beams: it is meant to work well in a multi axial state of stress, reproducing a wider range of bolt failure modes, and increasing the predictability of an impact occurrence. The numerical procedure is based on a series of traction and shear tests performed on threaded bars, standard and high-quality bolts. At this preliminary stage, different experimental set-up are compared, in order to obtain more reliable results and limit the undesired effects on specimen. Afterwards, the calibration of the finite element model is carried out, considering the material characterization as an essential feature for the following correlation stage between numerical and experimental data. Finally, the calibrated model is evaluated in one of the most common applications, a full-scale crash test simulation, according to the requirements of EN 1317 reference standard. The material characterization procedure provides satisfactory results, because the model fits the experimental curves both in traction and shear tests; the peak load is reached with a maximum error of 5% with respect to laboratory data, while the displacement at failure is lower. The full-scale simulation with solid bolts shows a correct general trend, but further analyses are needed to meet the validation requirements.

Le simulazioni numeriche rappresentano uno strumento chiave nell’ambito della sicurezza passiva: esse infatti limitano i tempi e i costi derivanti dai crash test, rivelandosi dunque utili nella progettazione e nell’ottimizzazione delle barriere autostradali. L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di un modello ad elementi finiti delle giunzioni bullonate, intese come componenti cruciali nella sicurezza stradale: il loro cedimento è infatti strettamente correlato con la capacità del sistema di ritenuta di reindirizzare il veicolo all’interno della carreggiata e di minimizzare le conseguenze fisiche sui passeggeri durante un impatto. Con il nuovo modello, costituito esclusivamente da elementi solidi, si cerca di risolvere le problematiche presenti nel bullone bidimensionale attualmente in uso; la giunzione a solidi è progettata per ottenere prestazioni simili a quelle sperimentali, in una condizione di sforzo complessa, e per riprodurre una più ampia casistica di modi di cedimento del componente. La procedura numerica si basa su una serie di test di trazione e taglio effettuati su barre filettate, bulloni classici e di alta gamma. In una fase preliminare del lavoro, sono confrontate differenti configurazioni sperimentali, in modo tale da scegliere l’opzione che fornisca i risultati migliori, senza risentire di effetti indesiderati dovuti a deformazioni parassite e specifiche tecniche. Ottenuti i dati sperimentali, è possibile procedere con la calibrazione del modello ad elementi finiti: in tal senso, un’accurata caratterizzazione del materiale consente di ottenere risultati soddisfacenti nella successiva fase di correlazione numerico-sperimentale. Nella fase finale, il modello calibrato del bullone è valutato in una delle sue più comuni applicazioni, una simulazione in scala reale di un crash test TB11, secondo quanto prescritto dalla normativa europea vigente EN 1317. La caratterizzazione del materiale fornisce risultati comparabili a quelli ottenuti sperimentalmente: le curve forza-spostamento sono sovrapponibili, con un errore sul picco di carico minore del 5%; risultano tuttavia ancora non trascurabili le differenze relative all’allungamento a rottura. La simulazione in scala reale con i bulloni solidi presenta un andamento qualitativamente corretto e vicino a quello riportato nei documenti ufficiali, ma ulteriori analisi sono necessarie per validare la barriera secondo i requisiti imposti.