Autore Prof. Ing. Mariano Pernetti
La meccanica computazionale consente di analizzare sistemi fisici complessi senza che essi siano materialmente disponibili. Ciò risulta di indubbia utilità quando si vuole conoscere come varia il loro comportamento per svariate condizioni, esplorare nuove configurazioni, etc. Tra i campi utilizzo ove essa può fornire importanti contributi vi è certamente la ricostruzione degli incidenti stradali e lo studio/sviluppo dei dispositivi di ritenuta stradali. In entrambi i casi essa si traduce in simulazioni agli elementi finiti oppure multi body.
Nel caso della ricostruzione degli incidenti stradali, tuttavia, si incontrano non poche difficoltà per la maggior parte dei tecnici, legate ad esempio alla disponibilità di specifici modelli agli elementi finiti (FEM) dei veicoli, al costo dei software di analisi ed al tempo richiesto per ciascuna valutazione. La disponibilità di modelli agli elementi finiti ben fatti è piuttosto limitata e relativa solo ad alcuni veicoli. Un sito che consente il download di modelli FEM di buona fattura, seppur da verificare riguardo ai requisiti di cui si dirà più avanti, è quello della National Highway Traffic Safety Administration (https://www.nhtsa.gov/crash-simulation-vehicle-models). In esso sono presenti i modelli sviluppati presso il Center for Collision Safety and Analysis (CCSA) della George Mason University. I modelli FEM di alcuni veicoli commerciali sono disponibili sul sito https://counterterrorism.ec.europa.eu/hvm/generic-vehicle-models.php. Questi ultimi hanno un grado di dettaglio minore rispetto a quelli del CCSA. Altri due siti contenenti modelli di veicoli pesanti sono https://thyme.ornl.gov/FHWA/TractorTrailer/index.cgi?model=1&navv=0 e https://thyme.ornl.gov/FHWA/F800WebPage/description/description.html.
I modelli più avanzati sono quelli del CCSA e sono riferiti solo ad alcune vetture, non europee e con elevatissima discretizzazione (variabile da 400000 a più di 3 milioni di elementi). Il loro impiego è pertanto molto ristretto e limitato a veicoli reali simili. L’elevata discretizzazione è un ulteriore fattore che ne limita l’uso, basti pensare che la simulazione di 1 sec per un solo veicolo su una workstation con prestazioni medio-alte supera facilmente le 24 ore. I software impiegati per effettuare queste simulazioni hanno in genere licenze annuali (legate al numero di processori che si impiegano) il cui costo supera facilmente i 10000 euro. L’insieme di questi aspetti, uniti a quanto si dirà più avanti riguardo ai requisiti che è opportuno essi soddisfino, rende evidente che l’impiego delle analisi agli elementi finiti per la ricostruzione degli incidenti reali è circoscritto a pochi casi, anche per via dei costi non certo banali di tale attività di simulazione. L’approccio, di contro, diviene più sostenibile nel campo dello studio/sviluppo dei sistemi di ritenuta passivi. In tal caso infatti si prescrive soltanto la tipologia di veicolo, la massa complessiva, gli intervalli in cui devono essere contenute le dimensioni caratteristiche, etc. A ciò si aggiunge che i costi di prova per ciascuna soluzione di tentativo sono molto elevati e tali da meglio giustificare quelli relativi alle simulazioni con modelli agli elementi finiti.
I risultati che si ottengono dalle analisi FEM sono condizionati dalla qualità dei modelli dei veicoli e dei dispositivi di sicurezza. Modelli con gravi carenze danno luogo a risultati che non sono in linea con il comportamento dei casi reali. Si pensi ad esempio ad una simulazione finalizzata a valutare cosa accade nel superamento di una cunetta, nella quale il modello agli elementi finiti del veicolo ha le sospensioni non funzionanti e le ruote non sterzanti. Sulla base di tale evidenza un gruppo di ricercatori, a partire da qualche anno dopo il 2000, ha iniziato ad elaborare un documento tecnico finalizzato a definire i requisiti che devono possedere le simulazioni agli elementi finiti per fare in modo che esse siano in grado di riprodurre accuratamente il comportamento fisico del sistema o componente modellato. Il documento finale è stato pubblicato dal CEN dapprima nel 2012 come Technical Report (CEN/TR 16303 parti da 1 a 4) e poi nel 2020 come EN 16303. Esso riporta i requisiti per i modelli dei veicoli, per i modelli dei dispositivi di ritenuta, per la necessaria validazione di un test virtuale che riproduce una prova di crash reale su un dispositivo e quelli per la verifica del test virtuale sullo stesso dispositivo in condizioni diverse o su un nuovo dispositivo dello stesso tipo. Come si osserva il test virtuale finale viene considerato efficace soltanto dopo che sono soddisfatti più requisiti, incluso quello relativo alla validazione del test che riproduce la prova di crash reale.
Con riferimento ai modelli agli elementi finiti dei veicoli, la EN 16303 riporta che essi devono includere almeno la carrozzeria esterna, la struttura portante (il telaio), le sospensioni anteriori e posteriori, il sistema di sterzo, le parti vetrate, il blocco motore e le eventuali masse aggiunte per simulare gli occupanti. I modelli così realizzati poi devono soddisfare ad una serie di test relativi: alla “stabilità” quando soggetti: alla sola gravità, al funzionamento delle sospensioni in accorciamento ed in estensione, al cinematismo di sterzo (deve essere realizzato in maniera da verificare il principio di Ackermann), alla capacità di percorrere una traiettoria rettilinea a velocità costante, alla capacità di percorrere traiettorie circolari ed a ritornare “spontaneamente” alla traiettoria rettilinea dopo aver rimosso l’azione di sterzo, alla capacità di smorzamento delle oscillazioni delle sospensioni a seguito del superamento di un gradino alto 8 cm, alla capacità di riprodurre -in temini di indici di severità e di conservazione dell’energia totale- l’impatto angolato (nel caso di impiego per le barriere di sicurezza) contro una parete indeformabile.
Molti modelli agli elementi finiti disponibili nel web non soddisfano i requisiti anzidetti. Ad esempio quello “coarse” (composto da circa 400'000 elementi) della toyota Yaris presente sul sito del CCSA ha un blocco alla rotazione dello sterzo. Rimuovendo quest’ultimo si hanno forti oscillazioni delle ruote nella prova per traiettoria rettilinea. La correzione delle possibili cause che portano a non soddisfare i requisiti previsti dalla EN 16303 richiede un forte impegno ed un notevole dispendio di risorse. Questa ulteriore difficoltà si aggiunge a quelle precedentemente dette. Lo stesso documento riporta molti suggerimenti e criteri per realizzare modelli agli elementi finiti utili per i test virtuali.
Riguardo ai modelli dei sistemi di ritenuta, facendo riferimento alle barriere di sicurezza, essi devono includere tutti i componenti, le connessioni fra questi, il collegamento al supporto, il supporto stesso (terreno, calcestruzzo, conglomerato bituminoso, etc), gli elementi terminali, etc. La simulazione con il solo effetto della gravità deve soddisfare più criteri, tra i quali: massima variazione dell’energia totale non superiore al 10%, haurglass energy dell’intero modello contenuta entro il 5% dell’energia totale iniziale, massa aggiunta per stabilità della soluzione minore del 5% della massa totale iniziale, etc.
Con riferimento al test virtuale per riprodurre la prova di crash effettuata in scala reale, essa deve dar luogo a risultati prossimi a quelli effettivi. Ciò in termini di: livello di contenimento, rollover, box di uscita, traiettoria delle ruote, eventuale rottura di elementi longitudinali, modalità di mancato funzionamento, deflessione dinamica, larghezza di lavoro e intrusione del veicolo.
La EN 16303 del 2020 ammette la possibilità che uno più requisiti non siano soddisfatti, purchè ne sia giustificato il motivo e vi sia la il parere di un esperto indipendente. La futura versione del documento, al fine di diversificare la qualità dei modelli e delle simulazioni, includerà in appendice un criterio di penalizzazione per tenere conto del mancato rispetto dei requisiti richiesti. Un modello o una simulazione verranno considerati non conformi se si ha una penalizzazione maggiore di 35 punti, di scarsa qualità se la penalizzazione è compresa tra 20 e 35 punti, di bassa qualità se la penalizzazione è compresa tra 10 e 20 punti, di buona qualità se la penalizzazione è compresa tra 5 e 10 punti e di eccellente qualità se la penalizzazione è minore di 5 punti. Questi ultimi si ottengono dalla somma dei punti connessi ad ogni non conformità. Riguardo al modello di un veicolo si ha ad esempio una penalizzazione di 3 punti se non vi è il parabrezza, di 10 punti se non vi è il motore, di 20 punti se le dimensioni non sono nei limiti previsti dalla EN 1317-parte 1, di 20 punti se non sono riprodotti gli accelerometri, di 7 punti se non soddisfa il test per traiettoria rettilinea, di 7 punti per il test di impatto angolato contro parete rigida etc. Così un modello privo di parabrezza e di dimensioni non conformi avrà una penalizzazione complessiva di 23 punti e pertanto sarà considerato di scarsa qualità. Per i sistemi di ritenuta e per le simulazioni è previsto un criterio analogo.