Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica

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Prof. Umberto Cugini - A.A. 2008/2009







                                         

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L' analisi a fatica

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ANALISI FEM


Al fine di effettuare una verifica di resistenza per il nostro impianto frenante, abbiamo deciso di testare le parti più sollecitate dal punto di vista meccanico, ossia il gruppo costituito dalle due semipinze e dai distanziali. L’intera parte è stata considerata come se fosse un pezzo unico, dunque tutti i vincoli sono stati considerati come rigidi.

geometria FEM

Per fare questa verifica di resistenza è stato utilizzato il software CAE Ansys v11.

Alcuni problemi si sono verificati nell’importazione del solido: per questioni di licenza, infatti, Ansys non ha importato la geometria di Catia V5, ma è stato necessario risalvare il modello in versione Catia V4 utilizzando il formato .model.

Una volta importato il componente si è passati dunque alla creazione della mesh. Quest’ultima è stata creata con un metodo semi-automatico definito in Ansys e ottimizzato per analisi di tipo meccanico-strutturali. Non è stato possibile creare una mesh puramente tetraedrica con questo software poiché dava alcuni problemi nella sua generazione (diversamente da quanto avveniva con altri programmi come Catia o MSC Patran).

mesh 1


Il lavoro di “meshatura” non si è tuttavia ancora concluso: è stato fatto un’ affinamento della griglia fino a tre volte nelle zone considerate più gravose: queste in particolare sono i fori che andranno ad accoppiarsi con il porta mozzo.


affinamento mesh

Terminata la creazione della mesh si è passati alla definizione dei carichi e dei vincoli. Per eseguire una corretta analisi sono stati naturalmente considerati dei valori massimali di carichi esercitati sul gruppo.

Un primo carico è stato individuato nella pressione dell’olio pari a 50 bar, che agisce all’interno della sede del pistoncino. Un secondo carico risulta essere quello scaricato dalle pastiglie a causa della forza frenante. Questo carico è stato ricavato dapprima trovando la forza normale esercitata dalle pastiglie sul disco (uguale al prodotto tra pressione nell’impianto idraulico e area di base dei pistoncini), moltiplicando poi questa per un opportuno coefficiente d’attrito (nel nostro caso è stato ragionevole ipotizzare 0,4) e dividendo infine la forza tangenziale per l’area di appoggio della pastiglia sulla singola pinza (ipotizzando pressioni costanti). Eseguendo questi calcoli sono stati trovati i valori di pressione pari a 11,5867 MPa per l’area di appoggio sulla semipinza con orecchie e 10.8615 MPa per la semipinza senza orecchie.

carichi

Per la definizione dei vincoli nelle due sedi per i portamozzi sono infine state considerate delle soluzioni apposite per simulare una cerniera. E’ stato infatti definito un vincolo di spostamento traslazionale dato da un vettore <0,0,0> e un vincolo rotazionale dato dal vettore <0,0, >, applicato al luogo dei punti interni ai due fori. In questo modo sono stati infatti bloccati tutti i gradi di libertà, ad eccezione di quello attorno all’asse di rotazione della cerniera. E’ opportuno segnalare che il vincolo non risulta essere perfettamente modellato, poiché viene visto dal programma come un vincolo bilatero e non come un semplice appoggio della superficie sul portamozzo.

vincoli

Definiti i carichi e i vincoli è stato possibile ricavare lo sforzo equivalente di Von Mises e l’andamento delle deformazioni.

Essendo un componente meccanico progettato senza l’ausilio degli elementi finiti, possiamo notare come alcune zone risultino chiaramente sovradimensionate, mentre nelle zone in prossimità delle cerniere gli sforzi si alzano di molto, raggiungendo il valore massimo pari a 201,99 MPa. Questo poiché in prossimità delle cerniere sono stati trovati, già in fase di progettazione, i valori di sforzo massimo utilizzando dei modelli analitici

von mises 1

von mises 2

Un’ultima analisi è stata effettuata inserendo in Ansys i dati relativi alla nostra lega di alluminio.

In particolare sono stati inseriti il Modulo Elastico, pari a 72000 MPa, il coefficiente di Poisson di 0.34, il carico di rottura di 280 MPa e il carico di snervamento di 240 MPa.

Grazie a questi dati è stato possibile tracciare la mappatura dei coefficienti di sicurezza.

fatttori sicurezza

Osserviamo che il minimo coefficiente di sicurezza risulta essere pari a 1.19, valore piuttosto basso ma riferito a un massimale assoluto di carico. In secondo luogo osserviamo che questo valore si verifica solamente in corrispondenza di un piccolo punto intorno alla cerniera, in tutto il resto della pinza i valori sono decisamente superiori, spesso compresi tra 10 e 15. Possiamo inoltre riscontrare che questo valore può essere assunto per la non perfetta modellazione del vincolo di cerniera, il programma assume infatti questo vincolo come bilatero anziché monolatero, come dovrebbe essere un vero appoggio.

fattore sicurezza dettaglio