Riassunto analitico
Il principale obiettivo del presente lavoro di tesi consiste nello sviluppo di una metodologia di calcolo che combini gli effetti dei fenomeni termo-strutturali e vibrazionali agenti su di un sistema di scarico destinato a motociclette ad alte prestazioni, al fine di prevederne la vita a fatica in ottica affidabilità. Il metodo, che è stato definito per un impianto di scarico realizzato in acciaio inossidabile attualmente impiegato su motociclette Ducati dotate di motore V4, risulta facilmente adattabile, introducendo le necessarie modifiche di implementazione, alle svariate tipologie di scarichi esistenti sul mercato. Per prima cosa, è stata eseguita un’analisi strutturale agli elementi finiti di tipo Random Vibration sullo scarico in esame in ambiente Altair Hypermesh; come forzanti in ingresso al modello sono state applicate le funzioni di densità spettrale (PSD) mediate sulle tre direzioni x, y, z relative alle accelerazioni misurate sugli attacchi del sistema al motore nonché le PSD della pressione dovuta ai gas presenti all’interno dell’impianto. Come risultati di questa analisi si ottengono le funzioni di densità spettrale degli sforzi per ciascun elemento del modello che verranno successivamente impiegati per l’analisi a fatica. È stato quindi importato il modello in ambiente Simlab ed è stata impostata un’analisi termica agli elementi finiti di tipo Steady State Heat Tranfer. In questo caso si è fornito come input una mappa di temperature e coefficienti di scambio termico convettivo (HTC) dei gas interni al sistema di scarico relativamente ad un regime motore di 13000 giri/min. Come risultati si ricavano le temperature nodali dell’intero scarico a regime, le quali vengono utilizzate per la successiva analisi termo-strutturale. Al fine di simulare i cicli di riscaldamento e raffreddamento ai quali lo scarico è sottoposto, vengono definiti casi di carico in cui la temperatura varia dal valore ambiente a quello di regime in modo ciclico. È poi stato considerato il comportamento non lineare dei materiali descrivendo il tratto plastico delle curve stress-strain mediante la relazione di Ramberg-Osgood. In considerazione delle elevate temperature riscontrate nell’analisi termica, si è ritenuto fondamentale modellare anche la variazione delle proprietà meccaniche con la temperatura. Successivamente è stato possibile combinare i risultati delle analisi descritte sviluppando un programma Matlab che per ciascun elemento del modello definisca il ciclo alterno degli sforzi derivante dalla combinazione del caricamento termico e vibrazionale. È stata quindi realizzata una mappa che permette di identificare se ciascun elemento del modello si trovi in campo elastico o plastico, distinguendo il caso in cui la plasticizzazione occorra solo in seguito all’applicazione di entrambi i caricamenti. È così stato possibile definire un metodo che sfruttando la formula empirica di Dirlik valuti il danno elementale provocato dalla combinazione del caricamento termico e di quello vibrazionale al fine di valutare le conseguenze di entrambe le sollecitazioni che gravano sul sistema di scarico. Comparando i risultati ottenuti con i dati derivanti dai test fisici condotti in azienda si riscontra l’efficacia del metodo che applicato al modello di scarico attualmente in produzione ne conferma l’assenza di rotture sul ciclo vita previsto.
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