The newborn E-VTOL sector plays a fundamental role towards a carbon free transportation, however the Li-ion battery packs currently employed present several critical issues in terms of safety requirements, especially in case of an impact. The present work focuses on the study of a light protective structure to be employed in the aeronautical field. The generative process mainly rely upon finite elements simulations, in particular the software Abaqus is the main tool implied, together with external Plug-In (Easy-PBC) and python scripts. A crucial step in the design phase is the selection and implementation of energy absorbing materials inside the FE software. The aluminium honeycomb suited the most the required characteristics, however an implementation by means of shell elements in the model would require a huge amount of computational resources. Therefore, the need of improving the efficiency of the material is reached by a solid implementation, which could guarantee the same properties evaluated in the shell model. The protective system relies upon helicopter’s technology to ensure the protection of the batteries and of the occupants. In particular, subfloor’s intersection elements and the sandwich panels covering the system play a fundamental role. An additional fundamental characteristic of the structure is its capability to suits several systems thanks to its modular scheme. The application of such structure to the aeronautical field requires a step further in the development, in fact an optimization of both the sandwich panels and the entire structure is performed. The main goal is to minimize the mass and simultaneously maximize the energy absorption, which corresponds to an increased protection of the payload. The optimization is performed by means of DOE technique, a Genetic Algorithm and Response Surfaces methodology to locate the optimal design point. This study offers a comprehensive outlook upon a protective system which is born for the E-VTOL sector but could also applies to the automotive one.
Il neonato settore degli E-VTOL svolge un ruolo fondamentale verso un trasporto carbon free, tuttavia i pacchi batteria agli ioni di litio attualmente impiegati presentano diverse criticità in termini di requisiti di sicurezza, soprattutto in caso di impatto. Il presente lavoro si concentra sullo studio di una struttura protettiva leggera da impiegare in campo aeronautico. La progettazione di tale sistema è stata effettuata sfruttando quasi solamnte software agli elementi finiti, in particolare Abaqus, insieme ad un plug-in esterno (Easy-PBC) e a script python. Una fase fondamentale della progettazione consiste nella selezione e l’implementazione all’interno del software di materiali che possiedono determinate caratteristiche, quali la capacità di assorbire elevate quantità di energia durante la loro deformazione o rottura. La struttura a nido d’ape realizzata in alluminio risulta essere il più adatto alle caratteristiche richieste, ma l’implementazione mediante elementi a guscio nel modello richiederebbe un’enorme quantità di risorse computazionali. Pertanto, l’esigenza di migliorare l’efficienza del materiale è stata soddisfatta dall’uso di elementi solidi, garantendo le stesse proprietà valutate nel modello a guscio. Il sistema di protezione fa riferimento alla tecnologia impiegata negli elicotteri, riadattandola per garantire la protezione delle batterie e degli occupanti. In particolare, gli elementi di intersezione del sottofondo e i pannelli compositi che coprono il sistema, giocano un ruolo fondamentale nell’assorbimento energetico e nella riduzione delle sollecitazioni trasmesse al carico pagante. Un’ulteriore caratteristica fondamentale della struttura è la sua capacità di adattarsi a diversi sistemi grazie al suo schema modulare. L’applicazione di tale struttura al settore aeronautico richiede un ulteriore passo avanti nello sviluppo, infatti viene effettuata un’ottimizzazione sia dei pannelli compositi che dell’intera struttura. L’obiettivo principale è minimizzare la massa e contemporaneamente massimizzare l’assorbimento energetico, aumentando la protezione del carico utile. L’ottimizzazione viene eseguita mediante la tecnica DOE, un algoritmo genetico e la metodologia delle superfici di risposta per individuare il punto ottimale di progettazione. Questo studio offre una visione completa di un sistema di protezione per il pacco batterie nato per il settore E-VTOL e che potrebbe essere applicato anche a quello automobilistico.
Design and optimization of a protective structure for battery packs in E-VTOLs
Zottele, Simone
2022/2023
Abstract
The newborn E-VTOL sector plays a fundamental role towards a carbon free transportation, however the Li-ion battery packs currently employed present several critical issues in terms of safety requirements, especially in case of an impact. The present work focuses on the study of a light protective structure to be employed in the aeronautical field. The generative process mainly rely upon finite elements simulations, in particular the software Abaqus is the main tool implied, together with external Plug-In (Easy-PBC) and python scripts. A crucial step in the design phase is the selection and implementation of energy absorbing materials inside the FE software. The aluminium honeycomb suited the most the required characteristics, however an implementation by means of shell elements in the model would require a huge amount of computational resources. Therefore, the need of improving the efficiency of the material is reached by a solid implementation, which could guarantee the same properties evaluated in the shell model. The protective system relies upon helicopter’s technology to ensure the protection of the batteries and of the occupants. In particular, subfloor’s intersection elements and the sandwich panels covering the system play a fundamental role. An additional fundamental characteristic of the structure is its capability to suits several systems thanks to its modular scheme. The application of such structure to the aeronautical field requires a step further in the development, in fact an optimization of both the sandwich panels and the entire structure is performed. The main goal is to minimize the mass and simultaneously maximize the energy absorption, which corresponds to an increased protection of the payload. The optimization is performed by means of DOE technique, a Genetic Algorithm and Response Surfaces methodology to locate the optimal design point. This study offers a comprehensive outlook upon a protective system which is born for the E-VTOL sector but could also applies to the automotive one.File | Dimensione | Formato | |
---|---|---|---|
Thesis___Simone_Zottele.pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: Thesis_Simone_Zottele
Dimensione
35.93 MB
Formato
Adobe PDF
|
35.93 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
Executive_Summary___Simone_Zottele.pdf
accessibile in internet per tutti
Descrizione: Executive Summary_Simone_Zottele
Dimensione
594.65 kB
Formato
Adobe PDF
|
594.65 kB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/214694