Optimization of chiral cellular topologies for energy absorption

Chiral structures, a branch of auxetic structures, are characterized by negative Poisson’s ratio, which means that they’re capable of contracting when compressed. In this thesis, the concept of a crash absorber made of a chiral network and filled by polyurethane foam is introduced. Both experimental and numerical models proved the ability of the auxetic lattice to increase the energy absorption. Some problems arising from the preliminary study of this crash absorber brought to the need of searching for new materials and to perform a structural optimization in order to avoid premature failure of the chiral lattice. In this thesis, a parametric optimization of chiral structures has been conducted in order to find the optimal structural solutions. After the creation of a parametric Matlab code used for the numerical model generation and a preliminary study on the influence of the geometric parameters on the absorber’s performances, a Genetic Algorithm for structural optimization is implemented. Finally, a comparison between the initial and optimized geometry is performed in order to validate the results and quantify the improvement of performances.

Le strutture chirali, una categoria di strutture auxetiche, sono caratterizzate da coefficiente di Poisson negativo, quindi capaci di contrarsi quando soggette a compressione. In questa tesi è stato approfondito il progetto di un assorbitore d’impatti costituito da uno scheletro chirale riempito per mezzo di schiuma poliuretanica. Le prove sperimentali e le simulazioni numeriche hanno mostrato che l’introduzione della struttura auxetica porta ad un aumento di energia assorbita. Alcuni problemi nati nella progettazione preliminare di questo assorbitore, hanno indirizzato lo studio verso la ricerca di nuovi materiali e alla necessità di effettuare un’ ottimizzazione strutturale in modo da evitare il cedimento prematuro dello scheletro chirale. In questa tesi è stata quindi effettuata un’ottimizzazione parametrica delle strutture chirali per trovare le soluzioni che possano portare ad un aumento di contrazione prima del cedimento strutturale. Dopo aver implementato il codice Matlab per la generazione dei modelli ad elementi finiti ed effettuato uno studio preliminare sull’influenza dei parametri geometrici sulle performance, si è effettuata un’ottimizzazione per mezzo di un Algoritmo Genetico. Infine, è stato effettuato un confronto tra la geometria iniziale e quella ottimizzata in modo da validare i risultati e quantificare l’aumento di prestazioni.