Riassunto analitico
Il presente lavoro di tesi magistrale si pone l’obiettivo di sviluppare una metodologia di calcolo per la previsione della vita a fatica di componenti meccanici lavoranti ad elevate temperature, attenzionando la sua applicabilità su un sistema di scarico per trattrici.
Il progetto è stato realizzato durante un tirocinio semestrale curriculare, in collaborazione con la sede di San Matteo, Modena, dell’azienda CNH.
L’attività prevede l’utilizzo di strumenti di simulazione commerciali basati sul metodo agli elementi finiti (FEM), quali Altair Hyperworks e nCode.
Mettendo a punto e tarando correttamente tale metodologia si riescono a prevedere, con buona approssimazione, i tempi, le modalità e i punti critici di rottura dei componenti.
In seguito ad una fase preliminare di modellazione, saranno eseguite un’analisi modale e un’analisi di risposta in frequenza, entrambe a temperatura ambiente. Ulteriori simulazioni saranno svolte per la determinazione della vita a fatica vibrante tramite un input di funzione di densità spettrale di potenza (PSD). Il calcolo del danneggiamento sarà effettuato per mezzo della formula empirica di Dirlik.
Per raggiungere un livello di affidabilità accettabile, sarà posta particolare attenzione sugli effetti dell’elevata temperatura raggiunta all’interno del sistema di scarico, la quale causa una degradazione delle caratteristiche meccaniche degli acciai impiegati. Sarà quindi condotta un’analisi termica per la determinazione del campo di temperatura, seguita da un’analisi termostrutturale, dalla quale verranno ricavate le tensioni di carattere medio.
L’analisi modale e l’analisi di risposta in frequenza, eseguite nella prima fase, saranno quindi ripetute, considerando anche la variazione del modulo di Young in funzione della temperatura.
Al fine di evitare una sovrastima nel calcolo del danneggiamento, sarà applicata la correzione elastoplastica delle tensioni tramite la regola di Neuber.
Si valuterà infine l’effetto della temperatura sui risultati e si presenteranno alcune analisi di sensitività.
|
Abstract
The present master's thesis aims to develop a calculation methodology for predicting the fatigue life of mechanical components operating at high temperatures, focusing on its applicability to a tractor exhaust system. The project was carried out during a semester-long internship, in collaboration with the CNH site in San Matteo, Modena.
The activity involves the use of commercial simulation tools based on the finite element method (FEM), such as Altair Hyperworks and nCode. By refining and properly calibrating this methodology, it is possible to predict, with good approximation, the timing, modes, and critical failure points of the components.
Following a preliminary modeling phase, modal analysis and frequency response analysis will be conducted, both at room temperature. Further simulations will be performed to determine the vibration life fatigue using an input of power spectral density function (PSD). Damage calculation will be carried out using the empirical Dirlik formula.
To achieve an acceptable level of reliability, particular attention will be paid to the effects of the high temperature reached inside the exhaust system, which causes a degradation of the mechanical properties of the steels used. Therefore, a thermal analysis will be conducted to determine the temperature field, followed by a thermostructural analysis, from which the average stresses will be derived. The modal analysis and frequency response analysis, conducted in the first phase, will then be repeated, also considering the variation of the Young's modulus as a function of temperature.
To avoid overestimation in the damage calculation, stresses elastoplastic correction will be applied using the Neuber rule. Finally, the effect of temperature on the results will be evaluated, and some sensitivity analyses will be presented.
|
