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+ | **SICUREZZA DEL VEICOLO (CRASH TEST)** | ||
+ | Ing. Matteo Parlamento, ufficio strutture, Scuderia Ferrari. | ||
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+ | L’ingegnere Parlamento, responsabile dell’ufficio strutture in gestione sportiva Ferrari, ha condotto la lezione conclusiva svolta dalla scuderia Formula 1 sottolineando l’importanza della sicurezza ed omologazione della vettura per poter superare crash test ed essere infine omologata al fine di aumentare la sicurezza e prevenire lesioni sui piloti. | ||
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+ | Tale sicurezza, come sopra citato, viene misurata sperimentalmente attraverso le prove di crash test. | ||
+ | Prima di parlare di tali prove è necessario effettuare una **distinzione fra i vari tipi di sicurezza** a seconda di quando questi sistemi coinvolti si attivano durante una fase di potenziale o realizzato pericolo, ovvero: | ||
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+ | •__Sicurezza preventiva__: | ||
+ | Mentre in ambito racing non ci sono sistemi preventivi che non siano il regolamento, | ||
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+ | -Punto di vista tecnico (come deve essere realizzata la vettura, sostanzialmente la limitazione delle prestazioni aerodinamiche o potenza); | ||
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+ | -Punto di vista del regolamento sportivo (come deve e può essere utilizzato il veicolo tramite le comunicazioni al pilota, bandiere, velocità in pit lane); | ||
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+ | -Punto di vista dei circuiti (definendo dei criteri di progetto per renderlo il più sicuro possibile). | ||
+ | Motivo per cui in F1 tutta la prevenzione è deputata all’ente regolatore. | ||
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+ | •__Sicurezza attiva__: include tutti i sistemi che aiutano il pilota durante una situazione di pericolo e sono direttamente azionati dal pilota. | ||
+ | Per le macchine stradali questo è il fiorire dell’elettronica, | ||
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+ | •__Sicurezza Passiva__: comprende tutti i sistemi che assorbono l’energia cinetica del veicolo durante l’urto garantendo la protezione degli occupanti, come strutture collassabili, | ||
+ | Parte della sicurezza passiva è anche fatta da barriere e strutture collassabili presenti sul circuito, non presenti su circuiti urbani. | ||
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+ | Esiste un parallelo fra lo sviluppo in F1 e il settore automobilistico stradale perché quello che viene sviluppato in ambito racing verrà un giorno passato sulle macchine di serie. | ||
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+ | Andiamo ora a vedere quali possono essere le **principali cause di incidente**: | ||
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+ | •Le strade: per quanto riguarda i veicoli urbani; mentre nei circuiti si ha una attenzione molto elevata a livello di design per garantire la maggior protezione; | ||
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+ | •Il veicolo: rappresenta un pericolo quando sono coinvolti sistemi che limitano la capacità di direzionare o frenare il veicolo quali ruote, sospensioni, | ||
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+ | •Il conducente: sempre la causa principale di tutti i danni, in percentuali più o meno diverse fra strada e pista. | ||
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+ | Per capire l’importanza degli interventi da svolgere in fatto di sicurezza è utile guardare le statistiche su quanto possa essere fatale un veicolo. | ||
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+ | Nei grafici si rappresenta la fatalità sia su auto stradali che da corsa. Nel primo notiamo come le failure riguardanti il veicolo stradale siano poco frequenti grazie alla grossa affidabilità che devono avere per essere omologate. | ||
+ | Nel grafico rappresentante gli incidenti in Formula 1 dal 1950 a oggi, visto il trend crescente vediamo come negli anni si sono sviluppate le case automobilistiche per risolvere il problema: | ||
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+ | Si nota che la quantità di modifiche in termini di sicurezza negli anni è stata massiccia, infatti, tutti i costruttori sono chiamati di anno in anno a sviluppare la performance del veicolo e con essa la sua sicurezza dato che, più forte si va più rischio c’è di farsi male. | ||
+ | Addirittura la federazione sta cercando di imporre limitazioni esplicite nella sicurezza preventiva per cercare di fare andare più piano le macchine; oltre a definire/ | ||
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+ | Introduciamo ora la **Meccanica della collisione**, | ||
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+ | Vediamo l’esempio di un veicolo (bullet vehicle) che colpisce posteriormente un altro veicolo (target vehicle). La velocità del veicolo che segue è più alta di quello che precede, fino a quando la distanza cala e i due veicoli si colpiscono. Dopo l’impatto la distanza calerà ulteriormente perché i veicoli si deformano, poi generalmente riaumenta perché c’è una componente elastica di energia cinetica residua e i veicoli tendono a riallontanarsi. La velocità relativa passa da quella che era prima dell’impatto a una velocità di segno opposto perché gli oggetti rimbalzano fra di loro. | ||
+ | La conservazione della quantità di moto, dato che rispetto alle forze esterne agiscono solo forze interne (quelle di impatto) e si trascurano quelle provenienti dalle ruote e dall’aerodinamica, | ||
+ | Questo è vero fino a quando posso trascurare le forze esterne, come quelle aerodinamiche, | ||
+ | |||
+ | Definiamo il __coefficiente di restituzione__ (r) come il rapporto fra le velocità relative dopo l’urto e prima dell’urto, | ||
+ | Vediamo la distinzione: | ||
+ | -Urto perfettamente elastico: le velocità relative sono perfettamente identiche e non viene dissipata energia (tutta l’energia cinetica si è conservata); | ||
+ | -Urto perfettamente anaelastico: | ||
+ | Il coefficiente di restituzione negli urti tipici è dell’ordine del 5-20%, quindi viene dissipata molta energia. | ||
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+ | {{ : | ||
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+ | Possiamo costruire un pò' di espressioni per studiare l’energia cinetica dissipata(Ed) nota come la differenza fra energia cinetica del sistema dopo l’urto e prima dell’urto, | ||
+ | Espressione ottenuta definendo la massa del veicolo virtuale e la velocità virtuale, che non è altro che la velocità relativa iniziale scalata di un fattore. | ||
+ | Da queste espressioni capisco chi concorre durante l’urto a dissipare energia. | ||
+ | |||
+ | Se parliamo di urti che coinvolgono macchine della stessa massa, la massa del veicolo virtuale (che viaggiando alla velocitò virtuale ha la stessa energia che deve essere dissipata) è la metà della massa dei due veicoli. Lo capisco dal fatto che la velocità virtuale è simile alla velocità relativa iniziale scalata di un fattore, quindi di fatto è la velocità relativa. Motivo per cui i due veicoli della stessa massa che sbattono l'uno contro l’altro devono dissipare l' | ||
+ | Quindi elemento chiave è la velocità relativa. | ||
+ | |||
+ | Se nell’espressione metto a zero la velocità del veicolo target e mando ad infinito la sua massa otteniamo il crash contro barriera fissa e indeformabile, | ||
+ | Si usano velocità di questo ordine e non più alte perché in pista vanno quasi tutti sempre alla stessa velocità e di solito le velocità relative sono simili. | ||
+ | Il vero problema si ha quando si ha un urto con le barriere ferme o un veicolo non in moto. | ||
+ | Motivo per cui le barriere hanno un ruolo fondamentale nell’assorbire gli urti e vengono sviluppate costantemente dalla federazione. In questo caso la velocità relativa è massima ed è la velocità del veicolo che impatta, l’unica differenza è che fra veicoli la massa considerata è la metà mentre contro barriera la massa è tutta quella del singolo veicolo. | ||
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+ | Andiamo ora a introdurre tutti i **dispositivi utilizzati sul veicolo per la sicurezza del pilota**: | ||
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+ | Il principale organo di sicurezza su cui si sviluppano tutti gli altri è la Survival Cell, che in una macchina con telaio monoscocca è proprio il telaio/ | ||
+ | Ad essa sono attaccate intorno strutture che assorbono gli urti, quali: | ||
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+ | •Il Muso (Front Crash Structure): supporta l’ala anteriore e inoltre agisce dal punto di vista passivo assorbendo la maggior parte dell’impatto sia su vetture sportive che stradali; | ||
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+ | •Il Pilone posteriore (Rear Crash Structure): ha le stesse funzioni del muso e in più può portare parte del carico dell’ala posteriore o i link delle sospensioni; | ||
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+ | •I Lati (Side Impact): ci sono strutture a cono che prendono il nome di Sidepod, assorbono energia dalle parti laterali. In verità non ci sono mai stati incidenti che hanno coinvolto i crash di queste strutture, ma essendo la parte laterale della cella la più debole, dato che sono presenti solo pochi centimetri fra esterno e pilota, ha fatto si che la federazione omologasse i Sidepod e invece del crash test, si richiede ora di mettere carichi statici sul fianco della macchina esagerati (per promuovere la sicurezza della cella) che schiacciano la macchina con 250 KN lateralmente e garantiscono così una robustezza enorme del telaio. | ||
+ | Oltretutto la macchina è molto sicura sul lato perché ci sono ruote e radiatori pieni di acqua e olio, che sono ottimi ammortizzatori e molti altri elementi che assorbono una notevole quantità di energia. | ||
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+ | Si potrebbe parlare di Survival Cell anche in un veicolo normale, però non è ben definito il limite che lo caratterizza. | ||
+ | Nella F1 bisogna garantire che dopo l’urto la struttura sia praticamente indeformata e non presenti crepe, in modo da garantire la sopravvivenza del pilota; ovviamente il materiale durante un impatto si deformerà o assorbirà energia attraverso rottura delle fibre e scollaggio delle stesse, motivo per cui si accetta un piccolo danno ma bisogna in ogni modo non produrre cricche. | ||
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+ | Vediamo ora le principali strutture di assorbimento utilizzate in F1 e con che criteri si progettano per assorbire al meglio l’energia cinetica. | ||
+ | Si dividono in due principali tipologie: | ||
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+ | 1.__Strutture di assorbimento metalliche__: | ||
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+ | Nei veicoli stradali dove la maggior parte della macchina è formata da componentistica metallica si sfrutta l’assorbimento per plasticità. Si è osservato che sotto carichi dinamici le strutture tubolari in parete sottile evidenziano il fenomeno dell’instabilità elastica come causa di quello che è chiamato folding, cioè il formarsi di decine di pieghe nel metallo che dissipano energia. Tante più pieghe ho, tanta più energia ho dissipato. | ||
+ | Esistono anche delle leggi empiriche di dimensionamento di massima di queste strutture, se ne vede una come esempio nella slide. | ||
+ | In realtà si fa la simulazione tramite codici F.e.m. espliciti dei crash, arrivando a simulazioni affidabili anche in ambienti estremamente complessi come anche la simulazione della dinamica del passeggero. | ||
+ | Si riesce a fare perché i metalli hanno leggi costitutive facili da descrivere, ripetibili e implementabili. | ||
+ | Parliamo di alluminio, acciaio, etc e si arriva a simulazioni affidabili di meccanismi e urti complessi. | ||
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+ | Vediamo in basso a sinistra un esempio di folding: sono riportate le strutture di assorbimento per uno dei crash test di omologazione da fare per omologare la macchina. Il telaio, senza muso ma con una piastra protettiva anteriore, viene fatto sbattere contro un muro alla velocità di 15 m/s e nell’immagine si vede l’attrezzatura che rappresenta il modo con cui viene dissipata l’energia. | ||
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+ | 2.__Strutture di assorbimento in composito__: | ||
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+ | Nei materiali compositi la massa che serve ad assorbire l’energia in gioco è minore rispetto ai sistemi di assorbimento metallico. Ora invece di riferirsi alla plasticità dei materiali si parla di meccanismi di danno che possono coinvolgere: | ||
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+ | •La rottura delle fibre per trazione o compressione, | ||
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+ | •Il danno della matrice che di solito è di resina epossidica, | ||
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+ | •Il danno fra le lamine chiamato delaminazione, | ||
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+ | •La dissipazione per attrito fra le lamine che si piegano dopo che si sono delaminate, | ||
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+ | •Le interazione nelle strutture a sandwich fra il danno delle pelli e del core tipicamente metallico. | ||
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+ | Vediamo alcuni esempi riportati nella slide: | ||
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+ | __Polverizzazione fragile__: i materiali ad alto modulo che se sottoposti a crash si polverizzano. Caso di materiale fragile. | ||
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+ | __Danno multiplo con comportamento pseudo-duttile__: | ||
+ | Va da se che io voglio contenere le decelerazioni massime e agire con forze proporzionate alle masse in gioco; anche se facessi la struttura di cemento armato assorbirebbe energia ma poi il pilota non resisterebbe a 200g ad esempio, quindi devo basarmi su leggi che mi dicono, in funzione del tempo di esposizione a una data accelerazione, | ||
+ | L’idea è quella di far si che i picchi di impatto che durano 20-30-40 millisecondi non superino valori di 20G. | ||
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+ | __Petaling__: | ||
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+ | Specializziamoci ora sulle strutture di assorbimento in composito e vediamo come vengono progettate. | ||
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+ | Al contrario di quello che si pensa, in F1, non si utilizzano codici di simulazione esplicita che richiederebbero modelli molto complessi e prove sperimentali molto accurate su ogni singolo materiale utilizzato, al fine di dare buoni risultati. Nella maggior parte dei settori che lavorano sui compositi, il progetto di sviluppo sarebbe il seguente; fare un primo test sperimentale, | ||
+ | Ma in F1 geometrie e layup cambiano costantemente e di molto e non si ha tempo di fare molte prove su ogni singolo materiale, come fibre, resine e core generalmente metallico. | ||
+ | Non si hanno tempi cosi lunghi per lo sviluppo come accade ad esempio in aeronautica, | ||
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+ | Conveniente utilizzare sistemi più semplici che riducano il tempo di sviluppo, sfruttando delle proprietà del composito. Immagino di poter calcolare, durante un crash, qual è la forza sulla sezione rossa in figura quando quella sezione arriva al muro o l’impattatore arriva sulla sezione. Misuro l’area e di conseguenza la forza, poi chiamo epsilon il numero che fa tornare l’equazione. | ||
+ | Ora moltiplico a destra e sinistra per un incremento della corsa di crash (dx), con il termine a sinistra che rappresenta il lavoro della forza a distruggere e quello a destra, il differenziale di volume, che con epsilon diventa l' | ||
+ | Dividendo tutto per la densità si ottiene l’energia per unità di massa, con numeri tipicamente molto elevati rispetto ai metalli, motivo per cui usiamo i compositi. | ||
+ | Abbiamo introdotto epsilon nella trattazione, | ||
+ | Oltretutto anche la velocità di crash fa variare epsilon. | ||
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+ | Vediamo i principali test svolti dalle case automobilistiche e come la velocità di crash li influenzi: | ||
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+ | 1.__Test quasi statico__: | ||
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+ | {{ : | ||
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+ | Abbiamo una struttura a cono messa sotto una pressa e schiacciata con una velocità di avanzamento di circa 1-2 mm/s; se è progettata bene la struttura non subisce danni ma si sbriciola solamente il fronte di avanzamento. Nel grafico si osserva che con la forza generata lungo la corsa nel test quasi statico ottengo la curva blu, mentre se prendo il carrello e lo lancio a 15 m/s contro il muro ottengo la curva magenta. Quindi possiamo dedurre che all' | ||
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+ | Ora guardiamo quello che è il flusso di progettazione di un sistema di assorbimento da crash: | ||
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+ | Inoltre la struttura deve resistere anche a carichi statici e non deve collassare o andare in packing. Le prove per verificare queste richieste accessorie vengono fatte su elementi che non incidono macroscopicamente sulla struttura ma vanno a influenzare l' | ||
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+ | Alte energie specifiche significa che devo assolutamente avere masse piccole, essenziali in caso d'urto perché le energie da dissipare sono proporzionali alla massa del veicolo e si ottiene un grande vantaggio anche per quanto riguarda i consumi. Alte efficienze significano anche strutture in parete sottile ma questo non è semplice perché alta efficienza su sezioni e spessori piccoli può produrre problemi di stress statico. | ||
+ | esempio alla slide: muso spezzato. | ||
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+ | Quando definiamo la legge delle aree baso tutto sulla geometria ed è quindi a base spazio mentre l' | ||
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+ | Altro sistema è quello che fa riferimento al concetto di sistema dinamico e di spazio delle fasi. Immaginando che la dinamica del mio sistema sia definita dalla posizione e dalla velocità; si osserva che la derivata dello stato del sistema è una funzione dello stato del sistema ad un certo istante e quell' | ||
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+ | 2.__Front Crash 1__: | ||
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+ | Sul telaio con alla guida un manichino antropomorfo, | ||
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+ | Questo test è stato inserito quando sono stati tolti i rifornimenti e si è dovuta imbarcare una quantità di carburante molto maggiore. Si prende il telaio e lo si lancia contro una struttura deformabile; | ||
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+ | Si ottiene curva limite di decelerazione in funzione della durata a cui un corpo umano può essere sottoposto senza subire gravi danni. La decelerazione deve stare sotto i 20g nei primi 225 mm dopo può andarci sopra ma solo se per più di 15 millisecondi. E' il test più terrificante che si possa vedere dal punto di vista del crash la parete si deforma anche di 20-25 mm ed è spessa 15 mm. | ||
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+ | Dalla foto seguente invece è interessante osservare com'è messo pilota all' | ||
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+ | Nella foto seguente il pilota ha i piedi fuori e questo non è permissibile tutto quello che poteva disintegrarsi l'ha fatto ma c'era ancora abbastanza energia per spezzare il muso. Questo è il caso peggiore di urto contro barriera fissa e stava andando oltre i 200 km/h | ||
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+ | Nella prossima invece possiamo osservare che il " | ||
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