|
Laboratorio Progettuale di Disegno Assistito dal Calcolatore |
|
Prof. G. Cascini - A.A. 2009/2010 |
|
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica |
|
L’analisi FEM effettuata sul componente versione GP10 ha avuto lo scopo principale di valutare lo stato di stress a cui erano sottoposte le piastre di sterzo originarie nelle tre condizioni limite (Jump, Brake e Turn), valutando se vi fosse eventualmente margine per successivi interventi di modifica alla geometria.
Il secondo ciclo di analisi FEM, svolta invece sul componente modificato GP11, oltre a valutare la sicurezza del nuovo modello proposto ha anche consentito la definizione di geometrie, raccordi, cave di alleggerimento e nervature che cercassero di mantenere invariati (eventualmente migliorandoli) i tre requisiti strutturali fondamentali : resistenza, rigidezza e peso.
Questa fase di calcolo delle distribuzioni degli sforzi, sforzi massimi, distribuzione delle deformazioni e deformazioni massime è stata svolta tramite l’opportuno modulo dedicato alla Stress Analysis del software CATIA V5 R17 ( Dassault Systemes® ).
● Mesh, vincoli e carichi applicati
La discretizzazione del componente è stata effettuata realizzando una mesh a elementi finiti lineari di tipo tetraedrico uniformemente distribuiti, ottenendo in media (tra componente GP10 e GP11) circa 850.000 elementi nella mesh della piastra superiore e 1.200.000 elementi per quella inferiore. Si è introdotto un vincolo di incastro in corrispondenza del foro sede del perno di sterzo, mentre i carichi sono satati applicati, in analogia a quanto esposto nel capitolo “Carichi esterni”, come forze uniformemente distribuite sulla superficie interna dei fori porta steli forcella.
● Materiale
Come materiale in cui realizzare le piastre e i componenti accessori si è scelto di utilizzare, in analogia alle piastre versione GP10, una lega dell’alluminio, in particolare :
Ergal tipo 7175-T66
σsn = carico di svervamento = 520 Mpa σr = carico di rottura = 590 Mpa ρ = densità = 2800 kg/m3 E = modulo di elasticità = 72 GPa
● Come simulare la realtà ?
La fase di verifiche strutturali ha presentato il problema di replica del vincolo di rigidità impresso dalla bulloneria (2 viti M8 per la piastra superiore, 4 viti M8 per quella inferiore) ai fori portasteli. Steli forcella e piastre sono infatti due corpi tra loro solidali nella realtà, condizione realizzata dall’interferenza generata dal serraggio viti tra foro porta steli e steli forcella.
Sono state avanzate le seguenti tre soluzioni principali :
A) Applicazione diretta dei carichi su piastra —> soluzione scartata in quanto da origine ad analisi FEM falsate, le forze non vengono equilibrate dal corpo piastra ma si scaricano esclusivamente sul materiale che realizza i due anelli porta steli.
B) Creazione di una coppia di piastre opportunamente modificate per la sola analisi FEM, in modo da ottenere una continuità del materiale, ovvero due piastre “piene”, senza cioè i due intagli per assecondare il serraggio —> soluzione scartata in quanto tale metodologia di lavoro non simula correttamente le manovre critiche ad esclusione della condizione di Brake.
C) Simulazione giunzione bullonata —> soluzione adottata, si sono cioè ricreate le viti utilizzate nella realtà e successivamente, all’interno dell’ambiente assembly, si sono imposti i necessari vincoli di contatto tra superfici tra il corpo vite e la superficie interna dei rispettivi fori. Tale vincolo offre il vantaggio di poter essere convertito, in ambiente CAE, in un giunto rigido...proprio quello che si andava ricercando.
L’ultima soluzione adottata è stata riproposta anche durante l’analisi strutturale delle piastre GP11; l’esigenza era infatti quella di sottoporre a prova FEM l’intero assembly comprensivo sia di viti che di boccole, il vincolo di giunto rigido è stato quindi replicato, oltre che sulla bulloneria, anche tra boccola e sede boccola realizzata su piastra.
|
|
Esempio di distribuzione degli sforzi e deformazioni per la piastra inferiore GP11 in questo caso nella manovra critica di Brake |
|
L’analisi FEM effettuata ha messo in evidenza una serie di punti critici di concentrazione degli sforzi massimi e zone di sovrasollecitazione posti in corrispondenza delle cave di alloggiamento viti, spigoli sede boccola e raccordi nervature inferiori.
A seguito del calcolo degli sforzi e delle deformazioni si è infine valutata la rigidezza flessionale del componente nonché il parametro di rigidezza su peso, indice di bontà delle variazioni geometrico-strutturali introdotte. La rigidezza è stata definita applicando alla singola piastra, in maniera indipendente, un carico di 1000 N prima in direzione X, poi Y e successivamente Z, così da valutare i tre valori di rigidezza flessionale (carico impresso / massima deformazione ottenuta) Kx, Ky, Kz che caratterizzano la piastra in esame.
GP10 vs GP11
Di seguito vengono riportate alcune tabelle riassuntive dei risultati di confronto tra il modello originario e il modello proposto, in cui η si riferisce al coefficiente di sicurezza definito come σsn / σmax , ε alla massima deformazione impressa al componente.
Le verifiche sul modello GP11 sono state condotte valutando la risposta del sistema secondo i due allestimenti ad offset estremi (28 e 32 mm) per “coprire” la condizione peggiorativa.
* Verifica della manovra di Brake con sbilanciamento coppia frenante verso sinistra e della manovra di Turn in direzione opposta per valutare l’influenza dell’asimmetria del nuovo componente. |
|
Tabella di confronto di sforzi e deformazioni tra modello GP10 e GP11 nelle diverse manovre e secondo i due offset estremi (valori di ε in mm, valori di η ed ε per il componente GP10 riferiti alla quota di offset (fisso) nominale pari a 40 mm) |
|
Tabella di confronto delle rigidezze flessionali tra modello GP10 e GP11 |
|
Si nota che la peggior condizione di utilizzo per la piastra superiore è quella di Brake, mentre invece per quella inferiore la condizione di maggior stress è quella riferita al Jump over kerb. I valori del coefficiente di sicurezza, passando da modello originario a modello nuovo, sostanzialmente non peggiorano mai. |
|
La modifica introdotta alle piastre di sterzo introduce un incremento di rigidezza flessionale pari a circa il 5,5 % per la piastra superiore e al 21,8 % per quella inferiore; tale aumento di rigidezza nasce implicitamente dall’esigenza di modificare il componente preesistente, di conseguenza l’inevitabile aggiunta di materiale (incremento di peso) produce al tempo stesso il miglioramento nei termini del ρ sopra descritto. In questo caso il fatto che il termine rigidezza su peso migliora significa che l’incremento di rigidezza (aspetto favorevole) è in modulo maggiore rispetto all’incremento di peso registrato (aspetto negativo).
● Conclusioni
1) Aumento della massa complessiva delle piastre di sterzo GP10 per via dell’introduzione di boccole e viti di serraggio ;
2) Incremento del modulo delle rigidezze flessionali superiore rispetto all’aumento in modulo delle masse in gioco ;
3) Riduzione delle massime deformazioni ε in tutte le manovre critiche analizzate (Jump, Brake e Turn) ;
4) Aumento del parametro ρ di rigidezza su peso, indice di bontà delle modifiche introdotte.
|
|
MODIFICA PIASTRE DI STERZO E VERIFICA STRUTTURALE |
|
ANALISI FEM |
