Analisi modale di vibrazione di un arma e soluzione innovativa per aumentarne la precisione

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1 Analisi modale di vibrazione di un arma e soluzione innovativa per aumentarne la precisione CANDIDATO Marco Cicognani RELATORE Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 OBIETTIVO Ottimizzare la precisione di una carabina per uso sportivo e ridurne la massa complessiva. Quindi il metodo utilizzato è quello di una FEA per l ottimizzazione strutturale vibrazionale e termica.

3 Fattori che influenzano la precisione Angolo di uscita alla bocca Effetto cross track velocity kick Effetto del rinculo Rigidezza della canna Prolunghe sintonizzatrici

4 Angolo di uscita alla bocca La bocca della canna nel modo 3 ruota attorno al nodo principale, esso si trova ad una distanza dalla punta che è a circa il 10% della lunghezza totale della canna. L andamento della posizione della bocca nel tempo descrive un moto armonico, esso può essere approssimato come un andamento sinusoidale.

5 Fattore velocity kick La bocca della canna muovendosi, in direzione verticale, al momento dell uscita del proiettile, imprime su di esso una velocità trasversale.

6 Rigidezza della canna Dipende dai seguenti fattori geometrici e caratteristiche fisico meccaniche del materiale: Lunghezza libera Diametro esterno Massa Modulo elastico

7 Effetto del rinculo L effetto della forza di reazione al rinculo rappresenta la fonte più importante di generazione delle vibrazioni, comprende un ampio spettro di frequenze. Produce una deformazione sulla spalla della canna che a sua volta sposta la bocca di qualche centesimo di millimetro.

8 Prolunghe sintonizzatrici Una massa regolabile, alla bocca della canna, consente di regolare le frequenze di risonanza della canna alla velocità di uscita dell ogiva, oltre che a spostare il nodo principale verso l estremità della canna.

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10 Analisi modale della canna standard Tipo di canna conica standard L=580 mm conica standard L=600 mm Estremamente coniche L=600 mm Cilindrica L=600 mm Modo Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] La lunghezza della canna è il parametro che incide maggiormente sulla rigidezza della canna, la geometria più performante a parità di lunghezza è quella cilindrica.

11 Modo 3, 1277 Hz 1. I modi 1 e 2 si verificano sulla canna con un periodo di frequenza che è superiore al tempo di uscita del proiettile quindi non vengono considerati. 2. Il modo 3 a 1277 HZ si verifica sulla canna ed è il tipo di vibrazione più significativo. 3. I modi 4 e 5 a 1854 Hz e 2370 Hz e modi superiori si verificano nelle nostre canne, ma l ampiezza tende a decrescere di un ordine di grandezza o di più per ogni modo superiore. 4. Il modo 6 e modi di vibrazione più elevate non sono rilevanti perché i modi inferiori li mascherano.

12 Frequenza [Hz] Analisi modale comparativa azione calcio canna cilindrica Canna conica Canna caccia Modo FIXED 1155, ,13 ACCIAIO LEGNO A 1117,8 1024,8 795,68 ACCIAIO LEGNO B 1142,6 1047,8 805,34 ALLUMINIO LEGNO B 1144,7 1053,8 803,67 ALLUMINIO LEGNO A 1142,6 1049,6 815,41 ACCIAIO CFRP A - 910,46 - La parte del sistema che più incide sulla rigidezza è la canna, infatti per ogni combinazione a parità di canna la frequenza per il modo 3 oscilla all interno di un range di 50 Hz.

13 Soluzione innovativa Rivestimento in carbonio È stata disegnata una geometria della canna in acciaio che permette l inserimento di cunei in CFRP.

14 Analisi termica Gli inserti, che rappresentano la parte più sensibile alla temperatura, non raggiungono valori che posso compromettere le caratteristiche meccaniche.

15 Riduzione del peso che permette di montare una massa accordatrice rimanendo all interno dei limiti di peso, con il conseguente risultato della riduzione degli effetti: angolo di posizione e velocity kick

16 conclusioni Aumento della frequenza per il modo3, con la conseguente riduzione d ampiezza della vibrazione. Carabina con canna cilindrica in acciaio Carabina con canna ad inserti in carbonio Carabina con accordatore Modo Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] 1, 1008,7 585, ,8 2, 3, 4, 5, 6, 1114,7 595, ,5 1148,6 (modo 3) 1186,4 1327,7 1302,3 1431,6 1406,1 1325,7 1498,6 1485,4 1369,6 1591,7 1501,1(modo 3) 7, ,8 (modo 3) 1684,