Indagine Numerica mediante FEM esplicito (ls-dyna) del processo di dispiegamento di un airbag

  
II 
videocamere ad alta velocità…) e quindi a 360 gradi. Ogni minimo 
particolare viene controllato, studiato, elaborato.  
All’inizio i crash, visto l’elevato costo (le auto vengono distrutte), 
venivano effettuati raramente e spesso senza la dovuta metodologia. Una 
delle prime case ad effettuarli fu negli anni ‘30 la Citroën che lanciò un 
auto a 30 Km/h giù da una scarpata, ma viste le limitate tecnologie e la 
mancanza di manichini “intelligenti” molto era lasciato al caso e spesso i 
tecnici non erano in grado di elaborare i risultati ottenuti. Poi con il 
trascorrere degli anni tutto è migliorato. Con l’avanzamento delle 
tecnologie, i crash test iniziarono ad essere regolamentati e i manichini 
diventarono dei veri e propri “umanoidi” in grado di rilevare le più 
minute sollecitazioni o decelerazioni.  
Oggi i crash test ricoprono un ruolo fondamentale all’interno di 
ogni progetto automobilistico. Dopotutto visto che oramai il consorzio 
europeo Euro NCAP (European New Car Assessment Programme), 
fondato nel 1997, ha adottato la tattica di rendere pubblici i risultati dei 
test, questo ha finito per mettere sotto pressione le Case 
automobilistiche, che oggi hanno fatto della sicurezza uno dei loro 
maggiori obiettivi e più importanti biglietti da visita. Questo ha fatto sì 
che gli autoveicoli odierni siano di gran lunga più sicuri rispetto a quelli 
passati, fattore altresì evidenziato dai risultati pubblicati di recente 
dall’Euro NCAP.  
Tuttavia, a causa dei costi molto elevati, l’utilizzo dei crash test è 
necessariamente limitato. I veicoli utilizzati in queste prove sono 
realizzati artigianalmente, al di fuori delle linee di produzione: la loro 
costruzione richiede molte ore di manodopera specializzata e può 
  
III 
rappresentare una spesa notevole. Attesa l’impossibilità pratica di 
effettuare una prova d’urto ogni qual volta che la struttura veicolare 
viene modificata nel corso della sua definizione, i progettisti utilizzano 
anche il calcolo per verificare la correttezza delle proprie scelte. 
Lo strumento di calcolo più comunemente utilizzato è rappresentato 
dalle simulazioni numeriche dei crash test, realizzate con l’ausilio di 
potenti calcolatori e pacchetti software dedicati. Tali simulazioni sono 
senz’altro meno costose dei test fisici e possono essere effettuate con 
maggiore frequenza. 
Allo stato attuale della tecnica, le simulazioni numeriche non sono 
in grado di sostituire completamente i crash test. Nondimeno, l’utilizzo 
combinato di questi due strumenti conduce ad una riduzione dei costi e 
dei tempi del processo di progettazione. Infatti, le simulazioni riducono 
la frequenza temporale con cui le prove d’urto si rendono necessarie, 
limitando il loro uso. In pratica, si procede alla realizzazione di tali prove 
quando la struttura veicolare sia stata notevolmente modificata rispetto 
ad una configurazione precedente che si assume come riferimento. 
In quest’ottica i nuovi obiettivi della progettazione automobilistica 
hanno portato allo sviluppo di due settori di studio distinti: la sicurezza 
attiva e la sicurezza passiva. 
La sicurezza attiva è costituita da tutti quei dispositivi che aiutano il 
pilota a controllare l'auto in situazioni critiche, affinché il controllo del 
mezzo sia il più agevole e sicuro possibile. Fanno parte di questa 
categoria l'ABS, il TCS, ecc. 
La sicurezza passiva è costituita da ogni sistema atto a proteggere i 
passeggeri di un mezzo quando questo entra in collisione con un altro 
  
IV 
mezzo o con un ostacolo. Fanno parte di questa classe le cinture di 
sicurezza, l'Airbag, la scocca, ecc. 
Lo scopo del presente lavoro è quello di simulare, mediante l’Ls-
Dyna 3D ed un’analisi non lineare e numerica, il comportamento di uno 
dei più avanzati e attuali strumenti di sicurezza passiva: l’air-bag. Grazie 
ad una speciale sezione del codice Ls-Dyna 3D e partendo dal modello 
base sviluppato dalla NCAC (National Crash Analisys Center) di 
Washington si realizzerà la simulazione del dispiegamento di un air-bag 
lato guida di dimensione medie, verificandone l’aderenza con i moduli 
air-bag attualmente in commercio.  
Se lo scopo sarà raggiunto si avrà a disposizione uno strumento di 
calcolo “snello”, quindi in grado di fornire ai progettisti risposte 
adeguate in tempi ragionevoli, e in grado, in futuro, di essere 
implementato nella simulazione di un crash test, completo di un modello 
FEM umano. 
 
 
Capitolo I                                   Generalità sugli incidenti stradali e Sicurezza negli urti 
 
 
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Capitolo I 
 
Generalità sugli Incidenti Stradali e 
Sicurezza negli Urti 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo I                                   Generalità sugli incidenti stradali e Sicurezza negli urti 
 
 
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I.1) Tipologie di Incidenti Stradali 
 
Le modalità con cui gli incidenti stradali accadono sono molto 
diverse tra di loro e, quindi, risulta molto utile per i progettisti una 
accurata classificazione delle più comuni tipologie di sinistro. 
Si riporta di seguito una classificazione che mira alla 
individuazione di una serie di incidenti “elementari”. Per ognuno di essi 
si individua un’area strutturale interessata dall’impatto. Su tale zona 
viene condotto lo studio di progettazione volto ad ottimizzare il 
comportamento strutturale per il tipo di incidente che viene considerato. 
Questa procedura viene ripetuta per ogni tipo di incidente 
elementare ed in questo modo si ottiene l'ottimizzazione della intera 
struttura veicolare in termini di protezione offerta ai passeggeri.  
Le Case Costruttrici organizzano delle "banche dati" sugli incidenti, 
che si verificano realmente, per trarre informazioni utili 
all’ottimizzazione delle scelte progettuali da adottare sugli autoveicoli. 
Successivamente, la validità di tali scelte viene verificata 
sperimentalmente con l'effettuazione di crash tests che riproducono le 
diverse situazioni di impatto.[3] 
Gli incidenti stradali sono cosi classificabili: 
 
•  Urto frontale centrato con ostacolo : il veicolo impatta contro un 
ostacolo fisso, rigido o deformabile, disposto perpendicolarmente 
alla direzione di marcia con sovrapposizione (overlap) del 100% 
della sezione frontale del veicolo con quella dell'ostacolo. 
 
Capitolo I                                   Generalità sugli incidenti stradali e Sicurezza negli urti 
 
 
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Fig.1.1 Crash Frontale realizzato dalla NHTSA 
 
•  Urto frontale disassato con ostacolo: è un caso analogo al 
precedente. La differenza è che l'overlap è inferiore al 100% (ad 
esempio, nella prova 
NCAP, è del 40%). 
 
 
 Fig.1.2 Urto disassato 
 
•  Urto frontale o laterale contro palo : è un caso particolare del 
precedente in cui l'ostacolo è caratterizzato da una larghezza molto 
ridotta rispetto alla sezione frontale del veicolo. 
 
Fig.1.3 Urto laterale contro un palo 
 
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•  Urto posteriore centrato o disassato con ostacolo o palo : rispetto 
ai casi precedenti cambia solo la regione del veicolo direttamente 
coinvolta nell'impatto (la zona posteriore). 
•  Urto frontale tra autoveicoli prima dell'impatto i veicoli si 
muovono nella stessa direzione ed in versi opposti. L'overlap può 
essere uguale o inferiore al 100%. Questo tipo di urto è suscettibile 
di una ulteriore classificazione in dipendenza del fatto che questo 
avvenga tra veicoli della stessa classe o meno. 
 
 
 
 
 
 
Fig.1.4 Urto Frontale tra autoveicoli 
•  Tamponamento : l’urto avviene tra il frontale di un veicolo e la 
coda di un altro. Le velocità iniziali sono parallele ed equiverse. 
•  Urto laterale : il veicolo considerato subisce un impatto laterale (in 
genere viene colpito da un altro veicolo). Tipicamente, al momento 
dell’impatto, le velocità dei veicoli formano un angolo di circa 90°. 
 
 
 
 
Fig.1.5 Urto laterale a 90° 
• Capottamento o "roll over" : la vettura acquista un moto rotatorio 
intorno al proprio asse longitudinale ed impatta ripetutamente 
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contro il suolo (o altri ostacoli). 
•  Urto contro pedoni : questo tipo di urto viene considerato al fine di 
ridurre l’aggressività del veicolo nei  confronti dei pedoni 
nell'eventualità di un impatto. 
 
Una ulteriore classificazione degli incidenti stradali può essere fatta in 
base alle velocità con cui avvengono: 
 
•  Urto ad alta velocità (oltre i 50 krn/h): in tale categoria rientrano 
quei fenomeni di urto nei quali l'energia cinetica iniziale è 
relativamente elevata ed il problema è quello di dissiparla in modo 
che non si trasferisca integralmente agli occupanti del veicolo. 
• Urto a bassa velocità (20-30 km/h): sono i più frequenti nel traffico 
urbano; per tali urti si cerca di adottare scelte progettuali tali che il 
danno provocato dall'impatto venga concentrato in una particolare 
zona del veicolo, minimizzando i costi di riparazione e di 
indennizzo da parte delle compagnie assicurative. La progettazione, 
in questo senso, può influenzare in modo diretto i costi di esercizio 
della vettura: gli assicuratori richiedono importi assicurativi 
relativamente più bassi per quei veicoli facilmente riparabili, 
rispetto ad altri che, invece, risultano di più difficile riparazione. 
•  Urti a bassissima velocità (5-8 km/h): si verificano, di solito, in 
caso di traffico intenso o nelle manovre di sosta. 
 
 
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I.2) Crash Test 
 
Nelle prove di crash tra autoveicoli, uno dei due corpi da testare è il 
veicolo; l’altro può essere un ostacolo fisso, un maglio o una parte del 
manichino di prova che viene scagliato contro la vettura per simulare 
l’urto con un pedone. Le prove d'impatto effettuate dall'Euro NCAP 
sono, per vie generali, sempre le stesse ed oramai sono diventate punto 
di riferimento per i centri di sviluppo e ricerca di tutte le Case. La prova 
principale e "più famosa" è l'urto frontale disassato contro barriera fissa 
ma deformabile a 64 Km/h. La barriera è costituita ormai da materiali 
compositi multistrato che simulano l'urto contro un'altra auto che è 
quindi in grado di assorbire, in parte, l'urto,  
 
 
mentre in passato era di cemento e quindi rigida.  
Fig.1.6 Prova EuroNCAP 
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Urto 
frontale 
Urto 
posteriore 
Urto 
laterale 
Urto 
frontale 
Altro importante test è la prova d'impatto laterale nella quale viene 
impiegato un "carrello" di 10 quintali (a lato) che viene lanciato contro 
l'auto a 50 Km/h. 
Lo schema che segue riassume le varie tipologie di crash test che 
vengono effettuati oggi dalle case automobilistiche 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.1.7 Flusso dell’iter seguito per un crash test 
 
Le barriere utilizzate nelle prove possono essere sia rigide sia 
deformabili. Per “rigide” si intendono quelle barriere che assorbono una 
aliquota trascurabile dell’energia cinetica iniziale caratteristica della 
CRASH TEST 
Urto  
contro i 
pedoni 
Urto contro
ostacoli 
fissi 
Prove  
con  
maglio 
Prove 
di 
ribaltamento
Urto  
contro 
barriera 
Urto  
contro  
palo 
Veicolo 
 
fermo 
Veicolo  
in  
moto 
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prova (essendo il corpo rigido una astrazione matematica). 
 
 
I.3) Aspetti Normativi in Caso di Urto 
 
Con la direttiva A 96/79/CEE del Parlamento europeo e del 
Consiglio dell’unione europea del 16 Dicembre del 1996, sulla 
protezione degli occupanti dei veicoli a motore in caso d’urto frontale, 
l’Europa si occupa delle norme di salvaguardia del pilota e dei 
passeggeri dei veicoli a motore in caso d’urto frontale, modificando la 
precedente direttiva che risale al 1970. In pratica detta le regole per 
l’omologazione europea dei veicoli ed analizza tutti i requisiti tecnici 
obbligatori per garantire la sicurezza di chi viaggia.[2] 
In questa sede andremo ad elencare solo i requisiti tecnici 
tralasciando l’omologazione del veicolo. 
 
Allegato II della  Direttiva 96/79/CEE 
Requisiti tecnici 
 
I.3.1) Campo di Applicazione 
 
1.1.La presente direttiva si applica ai veicoli a motore della categoria M1 la 
cui massa massima autorizzata non è superiore a 2,5 t, ad eccezione dei 
veicoli costruiti in più fasi e prodotti in quantitativi non superiori a quelli 
fissati per le piccole serie. I veicoli più pesanti e i veicoli costruiti in più 
fasi possono essere omologati su richiesta del costruttore. 
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I.3.2) Definizioni 
 
Ai fini della presente direttiva si intende per: 
2.1."sistema di protezione": i dispositivi o le finiture interne destinati a 
trattenere gli occupanti e ad assicurare la conformità con le 
prescrizioni stabilite al punto 3 che segue; 
2.2."tipo di sistema di protezione": una categoria di dispositivi di 
protezione che non differiscono sostanzialmente fra loro per quanto 
riguarda: 
- la tecnologia; 
- la geometria; 
- i materiali; 
2.3. "larghezza del veicolo": la distanza tra due piani paralleli al piano 
mediano longitudinale del veicolo, che toccano il veicolo da 
ambedue le pani di quest'ultimo piano, escludendo gli specchi 
laterali, le luci di posizione laterali, le valvole di pressione 
dell'aria, gli indicatori di direzione, le luci di posizione, i 
parafanghi flessib ili e la zona bassa del fianco del pneumatico 
immediatamente sopra il punto di contatto a terra; 
2.4. "sovrapposizione": la percentuale della larghezza del veicolo 
direttamente allineata con la parte anteriore della barriera; 
2.5. "parte anteriore deformabile della barriera": una parte da sottoporre 
all'urto montata sul lato anteriore di un blocco rigido; 
2.6. "tipo di veicolo": una categoria di veicoli a motore che non 
differiscono sostanzialmente tra loro per quanto riguarda: 
2.6.1 la lunghezza e la larghezza del veicolo, nella misura in cui incidono 
negativamente sui risultati della prova d'urto prescritta dalla 
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presente direttiva; 
2.6.2. la struttura, le dimensioni, le linee e i materiali della parte del 
veicolo situata anteriormente al piano trasversale che passa per il 
punto "R" del sedile del conducente, nella misura in cui incidono 
negativamente sui risultati della prova d'urto prescritta dalla 
presente direttiva; 
2.6.3. le linee e le dimensioni interne dell'abitacolo e il tipo di sistema di 
protezione, nella misura in cui incidono negativamente sui risultati 
della prova d'urto prescritta dalla presente direttiva; 
2.6.4. la posizione (anteriore, posteriore o centrale) e l'orientamento 
(trasversale o longitudinale) del motore; 
2.6.5. la massa, nella misura in cui incide negativamente sui risultati 
della prova d'urto prescritto dalla presente direttiva; 
2.6.6. le finiture interne o gli accessori opzionali forniti dal costruttore, 
nella misura in cui incidono negativamente sui risultati della prova 
d'urto prescritta dalla presente direttiva;  
2.7. "abitacolo": lo spazio destinato agli occupanti e compreso tra il 
tetto, il pavimento, le pareti laterali, le porte, i vetri esterni, la 
paratia anteriore e il piano della paratia posteriore oppure il piano 
di appoggio dello schienale dei sedili posteriori; 
2.8. "punto R": il punto di riferimento indicato dal costruttore per ciascun 
sedile in relazione alla struttura del veicolo; 
2.9.  "punto H": il punto di riferimento determinato per ciascun sedile dal 
servizio tecnico incaricato delle prove di omologazione; 
2.10."massa del veicolo a vuoto": la massa del veicolo in ordine di 
marcia, senza occupanti a carico, ma completo di carburante, 
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refrigerante, lubrificante, attrezzi e ruota di scorta (se questi ultimi 
fanno parte dell'attrezzatura fornita normalmente dal costruttore 
del veicolo);  
2.11. "airbag": dispositivo installato per completare cinture di sicurezza 
e sistemi di ritenuta nei veicoli a motore, cioè i sistemi che in caso 
di urto grave del veicolo dispiegano automaticamente una struttura 
flessibile destinata a limitare, mediante compressione del gas in 
essa contenuto, la gravità dei contatti di una o più parti del corpo 
di un occupante del veicolo con l'interno dell'abitacolo. 
 
I.3.3) Requisiti 
 
3.1. Requisiti generali validi per tutte le prove: 
3.1.1. Il punto "H" di ciascun sedile h determinato in base alla procedura 
descritta all'allegato III della direttiva 77/649/CEE. 
3.2. Specifiche. 
3.2.1. I criteri di prestazione registrati nei manichini collocati sui sedili 
anteriori laterali devono soddisfare le seguenti condizioni: 
3.2.1.1 il criterio di prestazione della testa (HIC) non deve superare 1000 
e l'accelerazione risultante della testa non deve superare 80g per 
più di 3 millisecondi. Quest'ultimo criterio corrisponde ad un 
calcolo cumulativo che esclude il movimento di rimbalzo della 
testa; 
3.2.1.2.i criteri di lesione del collo (NIC) non devono superare i valori 
indicati; 
3.2.1.3. il momento flettente del collo intorno all'asse y non deve 
superare 57 Nm in estensione;