Simplified finite element approaches for radial impact test of aluminum alloy wheels

This thesis deals with numerical analyses of radial impact tests of automotive aluminium wheels. The final task of this work consists in the definition of a set of procedures for the construction of simple, general and robust finite element models to simulate the radial impact test. A complete finite element model of the radial impact test is developed. The model includes tire, wheel, wedge and support structure. The wheel material inhomogeneity is taken into consideration by defining different non-linear stress/strain curves for the spokes and for the rim. The tire model includes the main reinforcement layers of the tire structure. Rubber portions are modelled by means of Mooney-Rivlin coefficients. The materials properties for both tires and wheels have been identified with experiments. An explicit solver is used to perform the impacts. To validate the models, results have been compared with experiments provided by a local wheel manufacturer. The model has been validated on a number of wheels, which differ in terms of rim size, spokes geometry and tire size. To ease and shorten the design process, a procedure for setting up simpler models is developed. The simplification consists in removing the tire and the wheel support and analyse the impact with an Implicit solver. To compensate for the tire absence, impact forces have been directly applied on the wheel by means of connector elements. A comparison of the results between the simplified and complete model is made to validate the simplification assumptions. A good agreement between the complete and simplified model is obtained. The simplified procedures developed are aimed to be a cheap and low time-consuming tool to support the designer in the wheel development process.

Questa tesi tratta di analisi numeriche volte a riprodurre test di impatto radiali per cerchi in lega di alluminio. L’obbiettivo finale di questo lavoro consiste nella definizione di un set di procedure per la costruzione di modelli ad elementi finiti semplici, generali e robusti per la simulazione dell’impatto radiale. Un modello ad elementi finiti completo è stato sviluppato e validato. Tale modello include lo pneumatico, il cerchio, l’impattatore e la struttura di supporto. L’inomogeneità del materiale del cerchio è stata considerata definendo differenti curve non lineari sforzo-deformazione per le razze e per il canale. Il modello dello pneumatico include i principali strati di rinforzo della struttura. Le porzioni in gomma sono state modellizzate tramite coefficienti di Mooney-Rivlin. Le proprietà dei materiali per gli pneumatici e i cerchi sono state identificate tramite esperimenti. Per la simulazione degli impatti è stato utilizzato un solutore esplicito. Per validare i modelli, i risultati sono stati confrontati con gli esperimenti forniti da un produttore di cerchi locale. Il modello è stato validato per diverse ruote, che si differenziano in termini di dimensioni del canale, geometria delle razze e dimensioni degli pneumatici. Per ogni modello è stato ottenuto un ottimo grado di accuratezza dei risultati. Per semplificare e accorciare la fase di progettazione, è stata sviluppata un ulteriore procedura per la costruzione di modelli più semplici. La semplificazione consiste nel rimuovere lo pneumatico e la struttura di supporto, e nell’analizzare l'impatto con un solutore implicito. Per compensare l'assenza dello pneumatico, la forza di impatto è stata applicata direttamente sul canale mediante elementi di connessione monodimensionali. Un confronto dei risultati tra il modello semplificato e completo è stato fatto per convalidare le ipotesi di semplificazione, ottenendo una buona congruenza tra i modelli. La procedura semplificata ha lo scopo di essere uno strumento economico e veloce in grado di guidare il progettista durante lo sviluppo e la progettazione del prodotto.