Study on the influence of the car body flexibility on handling performance and forces distribution with CAE methods

Nowadays the car industry is under pressure to reduce the car body weight and this can have the unwanted effect to reduce the body stiffness. From the vehicle dynamics point of view it is becoming more and more important to understand the impact of the body flexibility on the overall car behaviour, even in the initial phase of the project. In previous works LMS performed operational measurements on Base and Modified vehicles, whereas the overall body stiffness is increased by adding cross-members to the frame structure. Several studies proved that the body stiffness is a relevant factor on the vehicle dynamic performances. Although this is difficult to observe objectively in classic vehicle dynamics parameters as the lateral acceleration and yaw rate, it can be quantified when looking at the level of the suspension to body loads. It seems however, that it is difficult to reproduce the same level of load variation using MBS simulation with a flexible car body, even for large changes in the body stiffness characteristics. In this work, firstly an examination of an example database from open-loop manoeuvres is done with a vehicle in Base and Modified condition, where the Modified condition has a reinforced body structure. The applied modification is highly effecting, resulting in a relevant change of a classic handling parameter, which is normally not the case. This allows to gain more insight in the impact of the applied modification on the vehicle performance. Next to that, it will be clarified why the LMS approach focuses on the identification of the suspension to body loads. Secondly, the focus of the investigation is shifted to the load distribution, changed as a result of the body modification. A rear multi-link suspension from a mid-segment car is modelled and analysed in CAE, while a static roll case is applied. In this evaluation different body modelling variants are investigated. Finally, a detailed study into sensitivities of potential suspension non-linearities towards the body load distribution is performed, with the purpose to identify which components might be instrumented in the next studies.

L'industria dell'automobile deve sempre più confrontarsi con la pressante richiesta di ridurre il peso delle vetture, perché questo consente di diminuire i consumi, aumentando l'efficienza, ed inoltre abbattere le emissioni di inquinanti. La riduzione di peso può essere ottenuta riducendo le sezioni, e quindi rimuovendo materiale, oppure adottando materiali innovativi. In entrambi i casi, ad una riduzione di peso é spesso associata anche una riduzione della rigidezza del telaio (body), che può causare un peggioramento delle performances. Dal punto di vista della dinamica del veicolo, diviene sempre più importante conoscere gli effetti della rigidezza del telaio sulle prestazioni di handling e comfort già nelle fasi iniziali del progetto. Diversi studi sono stati svolti per determinare l'influenza della rigidezza del telaio sulle prestazioni del veicolo e, nonostante sia difficile osservare effetti nelle variabili cinematiche (accelerazione laterale, velocità di imbardata), variazioni significative sono state misurate nelle forze scambiate tra il body e la sospensione. In particolare LMS International ha sviluppato una tecnologia per identificare tali forze ed in precedenti studi ha misurato variazioni consistenti di alcune di queste forze tra veicolo Base e Modificato (il veicolo Modificato ha delle barre aggiuntive che irrigidiscono la struttura). Nell'ambito delle simulazioni multi-body sembra non sia semplice riprodurre le medesime variazioni di forze osservate nei test agendo solo sulla rigidezza del body. Nel presente lavoro di tesi si affronta il problema dell'influenza della rigidezza del body sulle prestazioni di handling con simulazioni CAE. L'analisi inizia con un modello mono-traccia, che viene utilizzato per analizzare un set di dati sperimentali, disponibili da un database di LMS, relativi a prove di step-steer. Il veicolo Base é confrontato con quello Modificato (telaio rinforzato) in una serie di prove ed i risultati mostrano che le classiche variabili cinematiche non presentano grandi variazioni, con l'eccezione dell'angolo di assetto, che costituisce quindi un parametro interessante da considerare. Le rigidezze di deriva diminuiscono nel veicolo Modificato, soprattutto al posteriore, indicando quindi che il sistema equivalente pneumatico-sospensione non é lineare. La variazione delle rigidezze di deriva ed i precedenti studi sperimentali condotti da LMS hanno condotto alla seconda parte del lavoro, in cui si analizza la distribuzione dei carichi all'interno della sospensione. In generale l'irrigidimento della struttura del veicolo viene soggettivamente percepito dal pilota come un fattore positivo. Associando questo risultato con le variazioni di forze misurate, si ipotizza che il pilota sia sensibile alla distribuzione dei carichi agenti sulla cassa (in particolare in transitorio). Lo studio consiste nell'analisi delle variazioni di carico (Base/Modificato) per diversi modi di modellare la flessibilità del body in Nastran. Dato che il solo effetto del body non ha portato a variazioni di carico paragonabili a quelle osservate nei test, nell'ultimo capitolo si ricerca la possibile causa di questa discrepanza nel comportamento non-lineare di alcuni componenti della sospensione (bushings, giunti sferici, etc) ed inoltre si valuta l'impatto dei diversi parametri mediante un'analisi di sensitività. I parametri più influenti sulle variazioni Base/Modificato vengono evidenziati, dando quindi indicazioni su quali componenti strumentare per le prossime misure operazionali sul veicolo. L'obiettivo futuro della ricerca in cui si colloca questo studio é determinare una correlazione diretta tra la rigidezza del telaio e le prestazioni di handling, mediante opportuni parametri (variazione di forze, angolo di assetto, etc), in modo da poter prevedere l'impatto di diverse soluzioni a partire dalle fasi iniziali del progetto.