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. 2
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 3
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 4
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. 8
CATIA V5 GPS: ANALISI HCF Coefficiente di sicurezza a fatica K f =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 9
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. S ( 1) dyn (0.1) FTY Sdyn ( ) ( ) (0.1) FTY S ( ) stat 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 11
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 12
I-DEAS: ANALISI HCF SECTION DESCRIPTION MS I-DEAS MS CATIA s1-0.510-0.479 Catia GPS s2 s3-0.427 0.650-0.364 0.707 s4-0.021-0.020 Sezione 1 s5 s6 s7 0.069 0.204 1.084 0.076 1.035 1.410 s8-0.137 0.255 I-DEAS s9 s10-0.071 0.253 0.313 0.447 s11 0.337 0.355 s12-0.067-0.041 s13 0.387 0.293 Sulle 17 sezioni critiche risultati simili tra i due software s14 s15 s16 0.368 0.365 0.824 0.139 0.272 0.981 s17 1.149 0.955 13
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 14
CONFRONTO PROVA A SNERVAMENTO SPERIMENTALE - CATIA V5 GPS ROSETTA 1 ROSETTA 2 140,0 160,0 120,0 140,0 Von Mises (MPa) 100,0 80,0 60,0 40,0 SPERIMENTALE FEM Von Mises (MPa) 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 SPERIMENTALE FEM 20,0 20,0 0,0 20 40 60 80 100 115 % CARICO 0,0 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 15
CONFRONTO PROVA A CEDIMENTO SPERIMENTALE - CATIA V5 GPS ROSETTA 1 ROSETTA 2 250,00 300,00 Von Mises (MPa) 200,00 150,00 100,00 50,00 SPERIMENTALE FEM Von Mises (MPa) 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 SPERIMENTALE FEM 0,00 20 40 60 80 100 115 120 150 175 200 225 % CARICO 0,00 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%) 16 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 17
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 18
CONFRONTO SFORZI P.D.V - FEM Zona Min PROVA DI VOLO (MPa) Max (MPa) S 1-7 69 S 2-23 49 Zona Min FEM I-DEAS (MPa) Max (MPa) S 1-8 47 S 2-30 22 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 19
PROVA AL BANCO HCF SECTION DESCRIPTION min [MPa] max [MPa] R stat [MPa] dyn [MPa] S stat [MPa] S dyn [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 10 7 cicli. Possibili aumenti di deformazioni - sforzi si possono presentare con l avanzamento della prova. 20
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. Possibilità di scegliere come solutore Abaqus o Nastran. 21
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. 22