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Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Ottimizzazione del comportamento a fatica di una biella in titanio


TVK Ricerca Meccanica Strutturale


Il metodo degli elementi finiti consente non soltanto di stimare l'affaticamento di pezzi meccanici complessi per geometria e sistemi di carico ma anche di definire dei procedimenti di ottimizzazione strutturale. Il procedimento è stato adoperato per alleggerire una biella in titanio tenendo conto delle sue specifiche di affaticamento.

La biella è l'organo più sollecitato di un motore veloce e, insieme alla manovella, svolge l’importante funzione di convertire il moto lineare alternato del pistone, in moto rotatorio dell’albero a gomiti.
La quasi totalità delle bielle presenti sul mercato automobilistico, sono costruite in acciaio attraverso un processo di stampaggio: infatti, la tecnica produttiva e il materiale utilizzato sono consolidati da anni e permettono di ottenere prestazioni elevate e bassi costi.
Soltanto nel settore delle competizioni, dove si tende a ridurre il più possibile i pesi per favorire le prestazioni, viene privilegiato l'uso di componenti in titanio. Nel caso delle bielle inoltre, la bassa densità del titanio rispetto a quella dell’acciaio comporta il vantaggio di avere una riduzione considerevole della massa in un organo soggetto ad elevate forze d’inerzia.
Una nuova tipologia di bielle in fase di sviluppo consiste nel costruirle partendo da una lamiera in titanio tagliata mediante taglio ad acqua (waterjet).
Questa innovativa tecnica realizzativa consente di avere una maggiore flessibilità rispetto alle bielle stampate. Infatti, non dovendo costruire lo stampo, i tempi di prototipazione sono decisamente minori ed eventuali modifiche al progetto iniziale sono di facile apporto. Il waterjet, inoltre, permette di eliminare gli elevati costi iniziali dello stampo rendendole quindi anche economicamente vantaggiose per piccole produzioni come ad esempio quelle dei kit amatoriali, scuderie da corsa e ricambistica speciale.
Per ottenere un elemento il più leggero possibile e in grado di resistere alle elevate sollecitazioni a cui è sottoposto è necessario trovare una geometria ottimizzata. A tal fine risulta conveniente utilizzare il metodo degli elementi finiti.
Applicazione dei carichi al modello FEM 2D della biella

Dalla conoscenza dei dati del motore (alesaggio, corsa, masse degli elementi), dell'andamento delle pressioni in camera di combustione e del ciclo di affaticamento al quale deve essere sottoposta la biella, è possibile risalire alle sollecitazioni agenti sui due fori del piede e della testa durante l’intero ciclo del motore.
Andamento delle tensioni nel caso di trazione
I carichi calcolati sono successivamente opportunamente elaborati e applicati ai nodi presenti sui due occhi del modello FEM 2D della biella e utilizzati quindi per una analisi statica multicaso agli elementi finiti dell’elemento.
I dati ottenuti dalle simulazioni permettono successivamente di impostare un calcolo per la verifica a fatica della biella ed individuare le zone più sollecitate da cui potrebbero innescarsi eventuali cricche.
Andamento delle tensioni nel caso di compressione

L'uso del metodo degli elementi finiti consente inoltre di automatizzare il processo di ricerca della forma ottimale. A tale scopo è necessario parametrizzare la forma iniziale dell’elemento: questo permette la generazione automatica di nuove geometrie che vengono poi singolarmente analizzate e confrontate fino al raggiungimento della soluzione migliore. I metodi utilizzati per la parametrizzazione della geometria sono molteplici; nel caso in esame è stato scelto quello dei vettori di carico fittizi: nelle zone da parametrizzare vengono applicati degli opportuni carichi e vincoli fittizi che consentono di deformare la mesh dell'elemento nella maniera desiderata. La forma finale è così ottenuta da quella di partenza perturbata dalla combinazione lineare dei vettori delle deformazioni causate dall’applicazione dei carichi fittizi.
Effetto dei carichi fittizi sul gambo della biella

Dal confronto dei valori della massa, del momento d'inerzia e del danno subito a seguito del ciclo di affaticamento per ogni geometria analizzata si giunge alla scelta della forma ottimale della biella da analizzare in pieno dettaglio.
Modello tridimensionale della biella ottimizzata






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