Catia V5 GPS - Matteo Condoleo.

Laurea Specialistica in
Ingegneria Meccanica
TRASMISSIONE DI POTENZA IN AMBITO ELICOTTERISTICO:
ANALISI STATICA ED A FATICA DI UNA FUSIONE TRAMITE
MODELLI AD ELEMENTI FINITI E PROVE STRUMENTALI.
Relatore: Prof. Marco GIGLIO
Tesi di Laurea di:
Matteo Maria CONDOLEO
INTRODUZIONE
Il lavoro di tesi è stato svolto presso l’azienda elicotteristica
AgustaWestland, nel reparto di progettazione trasmissioni.
L' oggetto di studio della tesi è la trasmissione principale
dell’elicottero militare Agusta T129. Attualmente questo
elicottero è in dotazione all'esercito italiano ed è oggetto di
sviluppo e modifiche.
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TRASMISSIONE PRINCIPALE
• Trasmette il moto al rotore, riducendo il numero di giri in uscita dalle due
turbine mediante quattro stadi di riduzione
• Trasmette i carichi esterni provenienti dal rotore alla struttura
dell’elicottero attraverso le 8 aste di vincolo
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CARTER SUPERIORE
Top Case
Planetary Case
Eng.1 Input Case
Main Case
Eng.2 Input Case
• Supporta i 2 cuscinetti dell’albero principale (mast), tramite i quali i
carichi provenienti dal rotore vengono trasferiti alla trasmissione
• Trasmette i carichi esterni dalla trasmissione alla struttura
dell’elicottero, attraverso le 8 aste di supporto
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LAVORO SVOLTO ED
OBBIETTIVI
Lavoro svolto:
• Vengono utilizzati due software ad elementi finiti (Catia V5
GPS ed I-DEAS) per le analisi sul carter
• Si effettuano prove sperimentali in laboratorio ed in volo.
• Si confrontano i risultati numerici FEM e sperimentali
Obbiettivi:
• Verifica strutturale del carter
• Valutazione e confronto del grado di affidabilità dei software
FEM: l’utilizzo del FEM è utile soprattutto nelle fasi di design
preliminare della parte con lo scopo di diminuire il tempo ed il
numero di prove sperimentali necessarie alla validazione
strutturale.
5
CATIA V5 GPS: MODELLO FEM
•
•
•
•
Materiale: elastico lineare (E= 44800)
Mesh: elementi 3D tetraedrici su
modello CAD semplificato con
raffinamento locale
Vincoli: elementi virtuali di contatto negli
alloggiamenti perno
Carichi: elementi virtuali deformabili sui
due cuscinetti ed elemento virtuale rigido
sulla flangia inferiore
6
CATIA V5 GPS: MODELLO FEM
7
CATIA V5 GPS: ANALISI STATICA
• Verifica a cedimento: carichi statici moltiplicati per il coefficiente di
sicurezza a rottura di 1.5 e per il fattore di fusione di 1.5
• Verifica a snervamento: carichi statici moltiplicati per il coefficiente
di sicurezza a snervamento di 1.15
• Risultati: sezioni critiche oltre il limite di cedimento \ snervamento.
Prova utile per individuare le sezioni critiche, ma influenzata dal
tipo di materiale e dalle modalità di vincolo.
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CATIA V5 GPS: ANALISI HCF
• Coefficiente di sicurezza a fatica Kf =1,74,
equivalente ad una prova sperimentale
HCF precedentemente effettuata
• Modifica dei raggi di raccordo dell’attacco
asta anteriore per diminuire e re-distribuire
l’entità di sforzo
• Probabile sovrastima degli sforzi dovuta a
semplificazione modello FEM
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CATIA V5 GPS: ANALISI LCF
•
•
•
•
•
Curva di Wohler scalata per fattore di sicurezza in cicli Kc= 6
e fattore di sicurezza in stress Kstress= 1.74
(1 prova sperimentale HCF e LCF)
Trasformazione curva di Wohler con R=0.1 in curva con R=-1
Trasformazione dello stato di sforzo sulle sezioni critiche con
R generico in stato di sforzo con R=-1
Il numero minimo di cicli resistenti è 18000: solo 5 sezioni su 17
soddisfano il limite minimo.
L’estrazione della curva di Wohler per R=-1 tramite il metodo
utilizzato porta ad una valutazione molto conservativa del
numero di cicli resistenti.
( 0.1)
FTY  Sdyn
( )

S () 
( 0.1)
FTY  S stat ( )
( 1)
dyn
10
I-DEAS: MODELLO FEM
• Mesh: importata da Catia V5
GPS con test di qualità
• Carichi: come in Catia V5 GPS
• Vincoli: elementi virtuali
deformabili negli alloggiamenti
perno; molle per simulare le
aste; elementi rigidi per
simulare gli attacchi aste
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I-DEAS: ANALISI STATICA
• Materiale elasto – plastico
• Confronto degli sforzi rilevati con
materiale elastico
• Verifica a cedimento superata
• Margine di sicurezza a
snervamento di poco negativo
su attacco asta anteriore
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I-DEAS: ANALISI HCF
Sezione 1
Catia GPS
I-DEAS
• Sulle 17 sezioni critiche risultati
simili tra i due software
SECTION
DESCRIPTION
MS
I-DEAS
MS
CATIA
s1
-0.510
-0.479
s2
-0.427
-0.364
s3
0.650
0.707
s4
-0.021
-0.020
s5
0.069
0.076
s6
0.204
1.035
s7
1.084
1.410
s8
-0.137
0.255
s9
-0.071
0.313
s10
0.253
0.447
s11
0.337
0.355
s12
-0.067
-0.041
s13
0.387
0.293
s14
0.368
0.139
s15
0.365
0.272
s16
0.824
0.981
s17
1.149
0.955
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PROVA AL BANCO STATICA
• 8 attuatori idraulici (2 per
torsione, 2 per forze di taglio,
4 per forza assiale e
momenti flettenti)
• 8 rosette estensimetriche
• Aste di vincolo con celle di
carico
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CONFRONTO
PROVA A SNERVAMENTO
SPERIMENTALE - CATIA V5 GPS
ROSETTA 2
ROSETTA 1
160,0
140,0
140,0
100,0
80,0
SPERIMENTALE
FEM
60,0
40,0
Von Mises (MPa)
Von Mises (MPa)
120,0
120,0
100,0
SPERIMENTALE
80,0
FEM
60,0
40,0
20,0
20,0
0,0
0,0
20
40
60
80
% CARICO
100
115
20
40
60
80
100
115
% CARICO
• Prova a snervamento sperimentale superata (rosette 1 e 2
posizionate al di sotto della zona critica)
• Conservatività del modello FEM Catia V5 GPS su sezioni
critiche
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CONFRONTO
PROVA A CEDIMENTO
SPERIMENTALE - CATIA V5 GPS
ROSETTA 2
ROSETTA 1
300,00
250,00
200,00
150,00
SPERIMENTALE
FEM
100,00
50,00
Von Mises (MPa)
Von Mises (MPa)
250,00
200,00
SPERIMENTALE
150,00
FEM
100,00
50,00
0,00
0,00
20
40
60
80
100
115
120
% CARICO
150
175
200
225
20
40
60
80 100 115 120 150 175 200 225
% CARICO
• Verifica a cedimento sperimentale superata
• Materiale con modulo E costante per Catia V5 GPS mentre
per il calcolo degli sforzi sperimentali il modulo elastico
diminuisce superato il carico di snervamento
• Sforzi FEM Catia V5 GPS più alti di quelli sperimentali
(+50%)
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• Migliore correlazione con I-DEAS (FEM: +23% sperimentale)
PROVE IN VOLO
• Input: voli effettuati con più manovre significative
• Output: carichi sulle 8 aste di attacco della trasmissione e sforzi
sulle zone critiche
• Individuazione della manovra critica: si considera come parametro
significativo il carico dinamico massimo sulle aste
• Analisi HCF Catia V5 GPS e I-DEAS con carichi P.D.V. (max – min
della manovra critica) applicati sulle aste e vincoli su albero
principale
• Confronto sforzi P.D.V. - FEM
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ANALISI HCF CON CARICHI P.D.V.
Catia V5 GPS
I-DEAS
• Catia V5 GPS: margini di sicurezza molto simili rispetto alla
prova con i carichi dei dati di progetto
• I-DEAS: margini di sicurezza maggiormente negativi di
quelli trovati con Catia V5 GPS
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CONFRONTO SFORZI
P.D.V - FEM
FEM I-DEAS
PROVA DI VOLO
Zona
 Min
(MPa)
 Max
(MPa)
Zona
 Min
(MPa)
 Max
(MPa)
S1
-7
69
S1
-8
47
S2
-23
49
S2
-30
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• Software utilizzato: I-DEAS con carichi applicati sulle aste
massimi e minimi estratti dalla manovra critica
• Sforzi rilevati sulle 2 rosette attacco asta anteriore durante
la manovra critica della prova di volo
• Risultati: sforzi minimi simili; sforzi massimi minori con FEM
I-DEAS
• Carter utilizzato per le prove di volo è un modello
antecedente a quello in studio
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PROVA AL BANCO HCF
SECTION
DESCRIPTION
min
[MPa]
max
[MPa]
R
stat
[MPa]
dyn
[MPa]
Sstat
[MPa]
Sdyn
[MPa]
MS
Sezione 1
10,28
34,79
0,30
22,53
12,26
31,03
16,88
0,377
Sezione 2
1,65
29,24
0,06
15,44
13,79
20,62
18,42
0,335
Sezione 1
Sezione 2
• Acquisizione della durata di 10 secondi dopo aver eseguito 85000
cicli di carico sul carter. Si trovano i valori delle deformazioni e quindi
degli sforzi di Von Mises con una frequenza di due centesimi di
secondo.
• La prova è superata al raggiungimento di 107 cicli.
Possibili aumenti di deformazioni - sforzi si possono presentare con
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l’avanzamento della prova.
CONCLUSIONI
Catia V5 GPS:
• Non permette la modellazione dettagliata delle reali condizioni di
carico – vincolo sul carter e non permette l’utilizzo di un materiale
con comportamento elasto – plastico.
• Il software è in grado di individuare le sezioni critiche, ma
sovrastima gli sforzi letti sia nell’analisi statica che in quella a fatica
ad alti cicli.
• Semplicità di utilizzo e modello completamente parametrico che
facilita le modifiche sul pezzo.
• Analisi LCF effettuata utilizza un metodo conservativo.
I-DEAS:
• Permette una modellazione più in dettaglio delle condizioni di
vincolo del componente; simula in maniera più realistica il
comportamento del materiale.
• Sforzi su sezioni critiche più realistici nelle analisi statiche, mentre i
risultati delle analisi a fatica sono simili al FEM Catia V5 GPS.
• Non parametricità del modello e necessità di importare la mesh.
• Possibilità di valutare la qualità della mesh.
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• Possibilità di scegliere come solutore Abaqus o Nastran.
CONCLUSIONI
Prove sperimentali:
• Prove al banco a snervamento e cedimento mostrano sforzi inferiori
ai carichi limite vicino alle sezioni critiche.
• Prova HCF al banco genera margini di sicurezza sulle sezioni
critiche positivi fino a 85000 cicli.
• Prova in volo rileva sforzi sulle sezioni critiche superiori ai
corrispondenti sforzi FEM.
Sviluppi futuri:
• L’utilizzo di un software FEM con i pregi di Catia V5 GPS e I-DEAS
risulterebbe in una miglior affidabilità dei risultati ottenuti ed un
conseguente minor numero di prove sperimentali necessarie
durante il processo di validazione dei componenti.
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