Design optimization of CFRP impact structures for advanced crashworthiness

Crashworthiness is defined as the capability of a vehicle or its components to decelerate progressively and absorb the impact energy generated during a collision. This thesis delves into the design optimization of carbon fiber impact absorbing structures with the aim of achieving enhanced crashworthiness performance. To achieve this, the geometry of the structure, material distribution and modelling strategy are considered. Five frustum crashbox samples manufactured by Pagani Automobili S.p.A. were dynamically tested at a drop tower facility managed by Politecnico di Milano. The experimental campaign was conducted to gather the necessary experimental data and validate a Finite Element Model developed on Abaqus/Explicit software. The numerical model is presented and used to computationally assess the optimal geometric configuration that maximizes the energy-absorption capacity. A multi-cell configuration, a transversal stiffened arrangement, and a thin-walled hollow structure are compared and evaluated based on numerous crashworthiness criteria. Subsequently, a Genetic Algorithm approach is also adopted to optimize the lamination stacking sequence. Lastly, the state-of-the-art software to simulate the crush response of composite materials is introduced. The modelling strategy of CZone for Abaqus (CZA), offered by Dassault Systèmes, is illustrated and compared to the traditional approach. The model developed for this project successfully replicates the complex crushing behavior experienced by the experimental samples. Furthermore, the optimization process results highlight the benefits of implementing longitudinal stiffeners for superior crashworthiness under dynamic impact loading. Finally, the exploration of CZone provides valuable insights into its modelling strategy and the proper implementation methods for future research.

La resistenza agli urti è definita come la capacità di un veicolo o dei suoi componenti di decelerare progressivamente e assorbire l'energia generata durante una collisione. Questa tesi esplora l'ottimizzazione di attenuatori in fibra di carbonio con l'obiettivo di raggiungere le massime prestazioni di assorbimento dell'energia d'impatto. A tal fine, sono stati considerati la geometria della struttura, la distribuzione dei materiali e la strategia di modellazione. Cinque campioni di attenuatori d'impatto prodotti da Pagani Automobili S.p.A. sono stati testati dinamicamente con una di torre di caduta presso il Politecnico di Milano. La campagna sperimentale è stata condotta per raccogliere i dati necessari e convalidare un modello ad elementi finiti sviluppato sul software Abaqus/Explicit. Il modello numerico è qui presentato e utilizzato per valutare computazionalmente la configurazione geometrica ottimale che massimizza la capacità di assorbimento dell'energia. Una configurazione a multi-celle, una rinforzata trasversalmente e una cava sono confrontate e valutate sulla base di numerosi criteri di resistenza agli urti. Successivamente, viene adottato anche un approccio di Algoritmo Genetico per ottimizzare la sequenza di laminazione. Infine, viene introdotto uno tra i software più all'avanguardia per simulare la risposta all'impatto dei materiali compositi. La strategia di modellazione di CZone per Abaqus (CZA), offerto da Dassault Systèmes, è illustrata e confrontata con l'approccio tradizionale. Il modello sviluppato per questo progetto replica con successo i complessi fenomeni di rottura osservati nei campioni sperimentali. Inoltre, i risultati del processo di ottimizzazione evidenziano i benefici dell'implementazione di rinforzi longitudinali per una resistenza agli urti superiore sotto carichi d'impatto dinamico. Infine, l'esplorazione di CZone fornisce preziose osservazioni sulla sua strategia di modellazione e sui metodi di implementazione corretti per eventuali future ricerche.