Sviluppo di macchine fisse e rotative per sollevamento e movimento terra
Giulio Bagnoli Ufficio Tecnico, Magni Telescopic Handlers
Magni Telescopic Handlers, azienda che opera nel campo delle macchine telescopiche (fisse e rotative) per movimento terra, è dotata di un ufficio tecnico che si occupa della completa progettazione di ogni dettaglio delle macchine prodotte. Le macchine rotative sono tipicamente destinate all’industria edilizia (macchine per cantieri, accessori per cestelli, braccetti tralicciati) mentre le macchine telescopiche fisse operano in ambienti più diversificati, come ad esempio l’industria mineraria o portuaria. L’azienda si occupa inoltre di progettare e produrre su misura una serie di accessori adatti alla customizzazione e alla manutenzione delle proprie macchine, secondo le particolari richieste dei propri clienti.
Le principali sfide progettuali affrontate dagli ingegneri di Magni si concretizzano nella valutazione della resistenza dei componenti, poiché le condizioni di utilizzo di macchine e relativi accessori non sono mai note a priori con esattezza; infatti, la difficoltà degli ambienti di utilizzo e l’aleatorietà dei carichi sollevati conducono a valori di sollecitazione decisamente elevati e spesso difficili da prevedere. Normalmente, tali valutazioni vengono effettuate nel reparto collaudo, applicando ai prototipi fisici delle macchine una serie di pesi realizzati su misura e maggiorati di una percentuale variabile secondo quanto descritto dalle norme. La macchina simula quindi un ciclo di carico, sollevando il peso e mantenendolo in posizione per un certo periodo di tempo, e al termine viene verificata l’integrità delle saldature e l’entità delle deformazioni in modo da ottimizzare i pesi degli accessori, garantendo le prestazioni richieste dai clienti senza snellire il diagramma di carico - che è il principale fattore che viene valutato a livello commerciale.
L’azienda ha recentemente iniziato a utilizzare il software MSC Nastran per effettuare analisi ad elementi finiti lineari e non lineari sia in fase di progettazione, per quanto riguarda nuovi prototipi di macchina, che per prevedere l’effetto di personalizzazioni richieste dai clienti sulla base di macchine o accessori esistenti.
Il caso in esame
Il caso in esame si riferisce all’accessorio con argano JW-800 (Figura 1) prodotto dall’azienda per sollevare carichi di 800 kg a uno sbraccio molto elevato (7 m). Tale accessorio è molto più leggero rispetto ad altri sul mercato, perché non contiene strutture in lamiera scatolata, ma è interamente realizzato con tubi a tralicciato.
Per ottimizzare il raccordo tra tubi saldati e lamiere e per verificare le prestazioni del componente, il dipartimento di ingegneria di Magni ha deciso di valutarne le sollecitazioni sula base di un modello MSC Nastran a elementi finiti derivato dal prototipo realizzato in ambiente CAD, con l’obiettivo finale di intervenire su eventuali punti deboli della struttura prima della realizzazione di prototipi fisici.
Il modello per la simulazione
Gli assiemi realizzati per le analisi in esame sono strutture complesse, essendo costituiti da diverse lamiere ed elementi tubolari uniti tra loro, pertanto una delle attività più intense che precedono i calcoli veri e propri è la generazione della meshatura mista della struttura. A questo proposito, si è utilizzato come punto di partenza il modello CAD realizzato in SolidEdge dal quale, con l’ausilio del meshatore SimXpert, si è generato un modello MSC Nastran dell’assieme a mesh miste, basato su elementi piastra, beam e solidi.
La figure 2, 3 e 4 mostrano che il meshatore usato ha consentito di realizzare una mesh realistica dell’assieme anche sulla base di una geometria decisamente complicata come quella in esame. Con l’ausilio della tecnologia di contatto Glued è stato possibile modellare le varie parti della struttura senza la necessità di fare mesh congruenti. Questo ha permesso di diminuire drasticamente i tempi di modellazione.
I
risultati
Il modello realizzato è stato utilizzato per identificare le zone maggiormente sollecitate della struttura (figure 5 e 6). Sulla base dei risultati ottenuti, sono state introdotte una serie di modifiche al telaio che sta alla base dell’accessorio, in modo da ottimizzarlo dal punto di vista delle sollecitazioni, aggiungendo alcuni elementi di rinforzo e modificando alcuni tubi saldati che dai risultati delle simulazioni apparivano troppo deboli (figura 6).
È importante notare che la simulazione, storicamente non utilizzata nella progettazione di macchinari di questo genere, ha consentito di acquisire informazioni altamente dettagliate relative alle sollecitazioni che si sviluppano sotto carico in alcune zone della struttura nelle quali è molto difficile effettuare delle predizioni di sollecitazione e che quindi vengono solitamente progettate in base all’esperienza pregressa dei progettisti.
A titolo di esempio, si vedano le figure 8 e 9, dalle quali si evince che, contrariamente alle aspettative, il telaio dell’accessorio in esame risulta essere molto più rigido nella zona inferiore, il che conduce a un imbozzamento locale di uno dei tubi a causa delle elevate tensioni locali che si sviluppano. La simulazione ha permesso quindi di ridurre per quanto possibile i pesi dei componenti, ottenendo una struttura ottimizzata dal punto di vista dei pesi e delle performance di carico.
Conclusioni e sviluppi futuri
Gli strumenti di simulazione descritti, adottati solo recentemente dall’azienda, sono stati utilizzati con successo per la verifica del comportamento strutturale degli accessori prima della realizzazione di prototipi fisici (come nel caso del JW-800), nonché per ottimizzare il peso di alcune strutture esistenti. La simulazione è inoltre importante poiché consente di valutare le sollecitazioni in punti della struttura in cui l’effettuazione di test fisici risulta molto complessa o addirittura impossibile (ad esempio, i punti della struttura nei quali componenti molto rigidi sono saldati insieme a componenti molto flessibili).
I risultati delle simulazioni, già comprovati dall’esperienza, verranno a breve correlati con i risultati provenienti da analoghi test fisici, in modo da dettagliare ulteriormente i modelli stessi per giungere a un livello di affidabilità ancora maggiore.
L’interesse futuro dell’azienda è quello di valutare con la simulazione il comportamento di accessori più complessi, nei quali i componenti interagiscono tramite contatto. In tali casi all’utilizzo di algoritmi lineari, non sufficiente a descrivere accuratamente l’interazione tra i vari componenti, viene affiancato l’utilizzo di algoritmi non lineari (sol400 di MSC Nastran) per comprendere nel dettaglio l’interazione dei vari componenti. Un esempio applicativo è rappresentato dalla simulazione del comportamento di alcune parti non metalliche realizzate in plastica, come i componenti utilizzati per lo sfilo dei bracci, che sono caratterizzate da un tipico comportamento non lineare. Un altro caso notevole corrisponde alle analisi di sicurezza di tipo FOPS-ROPS, che prevedono la simulazione dello schiacciamento di una cabina per evitare che l’eventuale deformazione vada a interagire con lo spazio occupato dall’operatore. In tale caso, l’utilizzo della simulazione risulta essere ancor più prezioso, in quanto consente di prevedere le deformazioni che assumerà il componente con una probabilità di scarto minima dalla prova sul campo necessaria per un risparmio quantificato dai 5000 ai 20000 euro per un singolo prototipo.