MIDAS NFX - Analisi FEM a Fatica di un pistone
- FGCAEANALYST
- 26 set
- Tempo di lettura: 3 min
Le analisi FEM a fatica sono spesso poco utilizzate. Infatti la fatica viene calcolata solitamente come postprocessing di un analisi FEM.
Nella realtà però esistono tool integrati nei software che permettono di effettuare queste analisi con molta semplicità. Solitamente questi tool sono un add-on (quindi licenza extra) ma MidasNFX lo ha integrato nella licenza standard. Vediamo quindi un caso studio semplice ma significativo, ossia l'analisi FEM a fatica di un pistone con annessa biella.
Case Study: Analisi di un sistema pistone/biella
La struttura, data la necessità della simulazione di determinare gli stress di picco locali, è stata modellata con elementi solidi senza semplificare i fillet che si trovano. L'unica semplificazione effettuata è stata quella di modellare il perno come elemento beam con RBE interpolation per non irrigidire la zona (perno, biella e pistone sono dello stesso materiale, nessun vincola l'altro a rimanere rigido).
La modellazione delle boundary condition prevede un vincolo di carrello sulla faccia del pistone, ed un vincolo di cerniera nella zona di ancoraggio ad un ipotetica manovella.
Il materiale è una lega di alluminio generica, con snervamento pari a 270 MPa e Rottura pari a 400 MPa.
Si deve ora modellare la componente di carico. Considerando un classico ciclo di un motore a combustione 4 tempi, possiamo ipotizzare una pressione massima di 12 bar e una pressione minima di 1 bar.
Si ipotizza inoltre una velocità di rotazione dell'albero di 3000 giri al minuto. Data l'entità minima della massa dell'oggetto si può trascurare in prima battura questo dato.
Avendo le geometrie della massa e di escursione del pistone si potrebbe stimare le accelerazioni massime e minime.
Si ipotizza una durata del ciclo di 0.042 secondi. Dividendo il ciclo affaticante nelle 4 fasi del ciclo motore a combustione, si ottiene il diagramma di carico a fatica riportato in figura 3.
La curva S/N del materiale invece è riportata in figura 4. Si considera una vita a fatica superiore a 10^8.
Si riportano quindi i risultati del campo di stress a 12 bar ed i relativi contour plot dei cicli a fatica in figura 5. Si nota come il pistone presenti una vita a fatica.
Quanto visto è conforme anche al calcolo teorico, in quanto lo stress medio, considerando lo stress massimo di 144MPa per 12bar e 12MPa per 1 bar (siamo in campo lineare, quindi si può fare una semplice proporzione).
Infatti si ottiene uno stress alternato pari 66 MPa e uno stress medio pari a 78 MPa. In questo caso quindi, considerando la curva SN siamo in zona di sicurezza (vita oltre i 10^8)
Siccome i risultati non presentano criticità, si prova a vedere se aumentando la pressione a 20 bar quanto diminuisce la vita del nostro oggetto.
Si ottiene quindi il seguente campo di stress e di vita a fatica.
Si nota una vita massima di 5100400 cicli.
Analizzando i valori teorici di sm e sa si ottendono rispettivamente 126 MPa e 116 MPa.
L'analisi teorica ci fornisce una vita a fatica di 1.41e7 mentre l'analisi a fatica fem ci fornisce un valore di 5.10e6, risultando meno conservativa.
La zona di inizio cricca rispecchia quanto si può ottenere da delle prove a fatica su alcuni modelli di bielle.
Ovviamente questa è un analisi semplificata. Infatti sarebbero da tenere in considerazioni altri fattori quali le accelerazioni a cui è sottoposta la biella, la forza di spinta derivante dall'albero a gomito che varia nell'angolazione.
Questo è solo uno spunto per far comprendere come l'analisi FEM sia uno strumento potentissimo per aiutare a comprendere la vita a fatica di un oggetto.
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