Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Aerospace

Sviluppo di un approccio CAE/CAD innovativo per l’analisi del portello della baia avionica di un commuter jet

Matteo Capobianco, Danilo Malacaria, Antonio Miraglia

MSC Apex riduce del 60% il tempo richiesto per analizzare il comportamento di un portello d’aereo nel caso in cui si vogliano simulare delle condizioni di funzionamento nelle quali lo stesso sia soggetto a possibili danni.

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Modello CAD della porta
 
DEMA SpA è uno dei maggiori fornitori nel settore aeronautico, con soluzioni destinate a molti dei più importanti progetti aeronautici come Boeing 787, Airbus A380 e A321, ATR 42-72, Agusta Westland AW139, e Bombardier CS100. DEMA ha recentemente progettato e costruito un innovativo portello pressurizzato che garantisce l’accesso al comparto di alloggiamento della strumentazione avionica di un commuter jet. Gli ingegneri di DEMA hanno sviluppato un innovativo progetto basato sull’idea che il portello venga ricavato da una piastra lavorabile anziché attraverso l’assemblaggio di parti in lamiera, consentendo riduzioni di peso, grazie all’eliminazione di giunti meccanici, oltre che dei tempi di assemblaggio. DEMA ha dovuto verificare, oltre alle capacità strutturali del portello integro soggetto alle tipiche sollecitazioni, la capacità di rispettare questi stessi requisiti strutturali a fronte di diversi scenari di danni che possono verificarsi durante le operazioni di servizio o manutenzione. I risultati di queste analisi vengono utilizzati come riferimento per i controlli regolarmente pianificati al fine di garantire che il portello sia idoneo al volo.
 
 

Tali scenari vengono simulati tramite la riduzione di spessore delle baie e la riduzione di spessore e altezza degli irrigidimenti verticali. 

La procedura inizia con l’analisi del portello secondo le specifiche di spessore e altezza previste a livello progettuale. Se il margine statico calcolato è minore o uguale a 0,05, allora non si tollera alcun danno in tale area. Se il margine statico calcolato è superiore a 0,05, allora la sezione è analizzata considerando un danno pari alla riduzione del 10% dello spessore o dell’altezza: se il margine statico ricalcolato è maggiore o uguale a 0,05 allora il difetto è tollerabile in tale area. Se il margine statico calcolato è minore di 0,05, allora la sezione è analizzata con un danno pari alla riduzione del 5% dello spessore o dell’altezza: se il margine statico calcolato con errore del 5% è maggiore o uguale a 0,05, allora si tollera un errore del 5% in tale area. Se il margine statico calcolato con errore del 5% è inferiore a 0,05 allora non si tollera alcun difetto o danno in tale area.  La figura seguente descrive il workflow della analisi.

 

La sfida

In base al workflow sono analizzati quattro scenari di possibili difetti/danni, sugli elementi nervatura e tasca (“vertical stiffener” e “pocket” rispettivamente): 

1) riduzione del 5% nell’altezza della nervatura e spessore della tasca;

2) riduzione del 10% nell’altezza della nervatura e spessore della tasca;

3) riduzione del 5% negli spessori della nervatura e della tasca;

4) riduzione del 10% negli spessori della nervatura e della tasca. 

 

Modello CAD in ambiente Apex

 

Modifica dello spessore della piega in ambiente MSC APEX

La procedura ha previsto, innanzitutto, un’analisi della geometria di riferimento (baseline) coincidente con il modello CAD della configurazione di progetto. La fase successiva ha previsto la modifica della geometria CAD per replicare il primo scenario: il vantaggio riscontrato con MSC Apex è proprio nella modifica veloce della geometria del portello in maniera tale da generare una nuova mesh e analizzare ciascuno scenario.

La variazione della geometria risulta spesso difficoltosa e in generale time-consuming quando si ha a che fare con i convenzionali modelli CAD in quanto solo le grandezze geometriche configurate come parametriche nella definizione originale possono essere facilmente modificate.

In molti casi è invece necessario ricostruire di nuovo il modello a causa dei limiti impliciti nella modifica di tali grandezze geometriche non parametriche.

La geometria finale viene poi utilizzata per generare un modello matematico a elementi finiti che è stato quindi esportato in ambiente MSC Patran, dove è stato completato con l’aggiunta di elementi finiti quali MPC o CBUSH, vincoli e carichi appropriati, come previsto nei vari casi. 

Si è usato, infine, il software d’analisi ad elementi finiti MSC NASTRAN per eseguire le simulazioni. “In passato, ogni scenario richiedeva in genere 16 ore di modifiche geometriche e 4 ore di preparazione della mesh per l’analisi. Per la valutazione dei quattro scenari richiesti dal portello abbiamo impiegato un totale di 80 ore”, dichiara Matteo Capobianco, strutturista che ha svolto questa attività.

Approccio alternativo con MSC Apex

“Abbiamo deciso di usare il modellatore MSC Apex per cercare di ridurre il tempo di modifica della geometria,” afferma Danilo Malacaria, Responsabile Ricerca e Innovazione di DEMA.

MSC Apex Modeler utilizza un approccio di modellazione diretta in cui la geometria viene costruita attraverso creazioni di singole feature oppure con semplici operazioni di traslazioni di entità geometriche, senza richiedere una rete di vincoli tra feature o l’utilizzo di complesse operazioni booleane e senza referenziare la storia delle modifiche, come avveniva nel caso in precedenza descritto.

Gli utenti possono modificare interattivamente la geometria selezionando semplicemente le entità interessate, come facce, spigoli o vertici, quindi eseguire ogni tipo di modifica attraverso operazioni semplici come push/pull/drag su tali entità, come descritto dalle successive figure. 

Per modelli di cui è già stata fatta la mesh, ogni modifica geometrica comporta un’immediata rigenerazione della mesh stessa.

Gli ingegneri DEMA hanno modificato la geometria del portello in ambiente Apex cambiando i profili coinvolti per ricondurli alle dimensioni richieste. La mesh è stata aggiornata automaticamente e in seguito aggiornata in MSC Patran con le informazioni mancanti, non disponibili in MSC Apex.

 

Modifica dello spessore della nervatura verticale in ambiente Apex

 

Mesh a elementi finiti in ambiente Apex

Risultati

“La modifica per ogni scenario ha richiesto solo 4 ore, con una riduzione del 75% rispetto a metodi tradizionali,” afferma Antonio Miraglia, Stress Lead presso DEMA. “La preparazione del modello ha richiesto quattro ore, come nel metodo tradizionale. 8 ore complessive sono state richieste per modellare ciascuno scenario e 32 ore per tutti i quattro scenari, con una riduzione del 60% rispetto al tempo richiesto in passato.” 

DEMA sta pianificando l’implementazione di Apex Structures, un modulo aggiuntivo che fornisce capacità di analisi strutturale lineare. Questo modulo farà in futuro risparmiare ulteriore tempo perché gli elementi, i carichi e i vincoli saranno aggiornati al variare della geometria in ambiente Apex. “Stimiamo che l’uso di Apex Structures ridurrà a 2.5 ore il tempo di allestimento di un modello per ciascuno scenario, riducendo a 26 ore il tempo complessivo richiesto per modellare tutti i quattro scenari, con una riduzione del 67.5% rispetto al metodo precedente,” conclude Malacaria.

 

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