Il clampaggio marman una soluzione semplice per scenari di frontiera
Pietro Ladisa in collaborazione con Daniele Catelani e Gabriele Santonico
Il clampaggio marman è una soluzione talmente semplice e discreta che per quanto sia così diffusa nelle sue applicazioni, risulta ben nota solo agli “addetti ai lavori”. Il principio è semplice: fissare e precaricare sul suo asse un collegamento a flangia circolare per tutta la sua circonferenza tramite il serraggio di una o due viti al massimo, per massimizzare la facilità di montaggio e separazione. La sua invenzione ha segnato la storia tecnologica della conquista spaziale, ha reso semplici collegamenti problematici come quello delle turbine di sovralimentazione, ha velocizzato i collegamenti idraulici a tenuta.
STORIA
Il clampaggio marman fu inventato da uno dei fratelli Marx, il noto quartetto comico americano dei primi del ‘900, diventato poi un trio proprio perché Herbert, detto “Zeppo”, lasciò il gruppo per dedicarsi all’imprenditoria in cui si rivelò un vero genio, trasformando in oro tutto quello che “toccava”: tutto quello che intraprese ebbe infatti grande successo. Passò dal business dello spettacolo a quello dei cavalli e quindi alla meccanica con l’invenzione del sistema marman che brevettò e mise in produzione fondando la Marman Products nel 1941 e vendendo i suoi prodotti soprattutto all’aviazione americana.
L’aviazione fece largo uso di questo sistema di collegamento rapido soprattutto per la sua affidabilità ed efficacia nel comando di separazione, dapprima per il collegamento dei tubi del carburanti fino anche al suo triste impiego per lo sgancio della bomba nucleare a bordo dell’Enola Gay. Ad ogni modo fu probabilmente quest’ultimo impiego a indurre i progettisti ad impiegare il sistema marman per il collegamento e lo sgancio rapido degli stadi dei razzi in piena corsa per la conquista dello spazio.
IL CONCETTO FUNZIONALE
Schemi tipici del clampaggio marman
Il concetto alla base dell’invenzione è tecnicamente semplice: una fascia di metallo sufficientemente flessibile che stringe dei settori a ganascia che, per l’azione radiale di costrizione, a loro volta stringono i lembi conici delle due flange da serrare. Il moderato attrito tra le superfici coniche a contatto aiuta a mantenere stabile il serraggio. La formula ed i concetti alla base del dimensionamento del fissaggio sono stati resi pubblici dalla NASA nella sua ormai ben nota linea guida, la GD-ED-2214 “Marman Clamp System Design Guidelines”:
Una volta noti i carichi in gioco è quindi possibile dimensionare e verificare le sezioni, le viti, la coppia di serraggio e tutto il resto. La linea guida della NASA riporta anche molte indicazioni di carattere costruttivo dettate dall’esperienza. Si va dai materiali agli angoli, a dettagli come la raccomandazione che le sezioni delle due flange serrate non devono differire molto, quella più flessibile non deve avere una rigidezza inferiore al 70% dell’altra per ottenere un comportamento nel serraggio il più omogeneo possibile. La linea guida è disponibile on line e se ne raccomanda la lettura a chi stia pensando di adottare questo affidabile sistema di fissaggio rapido per le proprie applicazioni, anche al di fuori del settore aerospaziale.
APPLICAZIONI
Il clampaggio marman ha preso piede negli anni in USA e poi nel resto del mondo anche nel settore motoristico sia per collegamenti tra condotti sia per collegamenti particolarmente sollecitati da un punto di vista termo-strutturale come il collegamento dei gruppi turbocompressori di sovralimentazione. Sono state sviluppate anche soluzioni dedicate per il settore petrolifero. Il materiale più utilizzato per le fasce di clampaggio è l’acciaio armonico. Per il settore spaziale i requisiti impongono di avere leghe leggere in blocchetti lavorati per le ganasce e per la banda leghe leggere ad alta resistenza (leghe aeronautiche, titanio) o anche acciai martensitici o da precipitazione per impieghi nelle operazioni di assemblaggio, trasporto e anche di collaudo dinamici.
Le superfici di scorrimento tra banda e ganasce viengono usualmente trattate con lubrificante secco. Per il settore spaziale i clampaggi per i collegamenti di volo sono caratterizzati dalla presenza del dispositivo di comando di separazione. All’attuazione di questo tramite il computer di bordo del razzo vettore il punto di giunzione (usualmente solo uno) viene separato istantaneamente, la banda, lavorata per una posizione a riposo su diametro di alcune decine di mm superiore al nominale, si separa per effetto elastico liberando le flange, che vengono spinte a separarsi anche da alcuni puntoni a molla. La banda viene trattenuta da delle staffe in quanto per normativa aerospaziale non può essere abbandonata a vagare come detrito.
PECULIARITÀ, PROBLEMATICHE, SOLUZIONI
Quello che spinse la NASA a pubblicare e diffondere una linea guida sul dimensionamento del clampaggio marman furono alcune “lesson learnt” riguardanti il clampaggio emerse nello sviluppo dei programmi spaziali.
Il clampaggio marman è affetto da alcuni problemi strutturali che vanno tenuti in seria considerazione soprattutto quando si va su diametri importanti e sollecitazioni elevate che richiedono precarichi alla banda altrettanto elevati.
Il “ring rolling”
Il primo problema è l’instabilità strutturale delle due flange sottoposte a carico radiale di compressione. Il collegamento manifesta già dal momento che si serra la banda una significativa deformazione radiale delle due flange verso l’interno. I tecnici americani chiamano questo fenomeno “ring rolling”, perché si ha un effetto di rotazione delle sezioni delle flange sottoposte alla spinta radiale. Per contrastare il ring rolling occorre avere una rigidezza delle flange adeguata ai carichi in gioco, quindi occorre che le due flange non abbiano comportamento elastico molto diverso, da qui il requisito di omogeneità nella loro rigidezza, e possibilmente avere tra di loro un dentino d’incastro per evitare slittamenti tra le due flange anche per i carichi di taglio che incidono sulla giunzione.
L’impuntamento ai punti di serraggio
Altro importante problema del clampaggio marman è l’effetto d’impuntamento provocato dal serraggio dei tiranti. Idealmente il tirante dovrebbe essere in asse baricentrico con la sezione della banda per annullare il momento indotto dalla sua eccentricità. Per quanto si possa ridurre il valore di e = eccentricità, anche creando una tasca locale nella zona centrale della banda, non è praticamente possibile portare tale valore a zero.
Anche nei recenti studi condotti dall’autore con le attuale metodologie di modellazione FEM si è riscontrato che l’eccentricità del tirante per bande a sezione piatta comporta comunque importanti concentrazioni di stress localizzati che si propagano fino alle sezioni delle flange, creando un potenziale innesco per fenomeni d’instabilità. È possibile minimizzare efficacemente il fenomeno attraverso due passi importanti:
La ganascia centrata.
Lo spostamento delle ganasce in modo da averne una centrata immediatamente sotto il punto di serraggio. La ganascia centrata indorsa la sollecitazione di momento del tirante nella posizione migliore, distribuendo lo stress in modo uniforme.
Cambio di sezione della banda
Cambiando la morfologia della sezione della banda perlomeno in prossimità dei punti di serraggio, passando a una sezione a C. Il passaggio dalla sezione piatta alla sezione a C comporta una variazione di rigidezza flessionale della banda. Se si decide poi di avere questa soluzione solo in prossimità dei punti di serraggio si avrà un importante variazione di rigidezza flessionale della banda lungo la circonferenza che può sempre influire sul rischio d’instabilità delle flange soprattutto quando queste non hanno grandi rigidezze, ad esempio nei settori spaziale e automobilistico (soprattutto sportivo) dove spessori e sezioni sono sempre ridotti all’essenziale. Occorre tenere ben conto e nel caso ridurre le disuniformità della banda lungo la circonferenza se si vuole ottenere un clampaggio abbastanza stabile. Ogni applicazione viene studiata caso per caso, dove si hanno flange di diametro piccolo o moderato con carichi non elevati il rischio d’instabilità è abbastanza lontano e si possono tranquillamente adottare bande piatte, mentre su dimensioni importanti e carichi elevati occorre tenere sotto controllo l’eccentricità del tirante anche adottando la sezione a C per tutta la circonferenza. È una soluzione che va in ogni caso progettata bene calcolando le rigidezze flessionali e richiede alte precisioni di lavorazione.
PROGETTAZIONE AVANZATA DEL CLAMPAGGIO
Il clampaggio marman è un meccanismo di precarico semplice ma molto influenzato dai fenomeni di contatto e dagli attriti tra le parti, nei quali gioca un ruolo importante l’interazione tra le rigidezze strutturali della flangia ed anche della banda. Questo ha portato la NASA a valle della propria esperienza pioneristica a diffondere le sue raccomandazioni e formulazioni di calcolo di base che se seguite in modo rigoroso possono rendere il progetto del clampaggio efficace ed affidabile. Semplici raccomandazioni e formule trigonometriche però possono non bastare quando si arriva ad applicazioni particolarmente esigenti in termini di carico, leggerezza e dimensioni. Solo recentemente le attuali metodologie di calcolo non lineare ad elementi finiti permettono di modellizzare e simulare corpi deformabili a contatto che scorrono tra di loro con attrito con un discreto riscontro con i dati sperimentali. Sono studi che per la prima volta hanno permesso di quantificare sufficientemente i fenomeni dell’impuntamento e di instabilità (incluso ring rolling) almeno per poterli ridurre e tenere sotto controllo in modo puntuale.
TEST DI CARICO
Nei vari anni sono state effettuate diverse prove strumentate a carico di flessione sul clampaggio marman.
La configurazione di test vede un carico applicato parallelamente al piano d’interfaccia marman e in direzione simmetrica tra i due punti di serraggio della banda, questo implica che il flusso di carico avrà i suoi picchi di massimo e minimo a 90° rispetto alle sezioni di serraggio.
Di fatto abbiamo che tutti gli estensimetri posti in prossimità delle sezioni di serraggio hanno una varianza relativamente bassa, mentre quelli posti a 90° variano maggiormente, con il lato compresso che vede salire i valori di micro-strain e il lato teso scendere. Per una banda di sezione a C questo comportamento cambia con una maggiore non linearità, ma con variazioni complessivamente inferiori, negli andamenti sulle letture lontano dai punti di serraggio, in direzione di applicazione del carico.
MODELLAZIONE DEL CLAMPAGGIO
La modellazione di questo meccanismo di fissaggio per quanto possa risultare semplice nelle sue componenti si focalizza soprattutto nella simulazione dei contatti a strisciamento con attrito tra flange, ganasce e banda.
Tutto l’assieme della parti clampate va considerato nel modello: le due flange, le ganasce e le semibande serrate. Le flange vanno considerate per un’altezza dal piano d’interfaccia dai 60 ai 120 mm almeno, da valutare caso per caso. Ogni parte circolare quindi può essere discretizzata da una mesh estrusa sull’angolo interessato a partire da una suddivisione in elementi della sezione. In questo modo si ottiene una discretizzazione di buona qualità con elementi prevalentemente a esaedro. L’ipotesi di simmetria può essere adottata per dimezzare il modello, a partire da una della due sezioni di serraggio per +/-90°. Anche il carico deve rispettare la condizione di simmetria. Le semibande possono essere discretizzate con elementi piani shell di cui si terrà conto dello spessore nella geometria del modello. I nodi di applicazione del serraggio connessi alle semibande con elementi monodimensionali rigidi. In questo modo non vengono simulati nel dettaglio i blocchetti terminali delle semibande ma che possono essere tranquillamente analizzati con un modello locale a parte per le valutazioni di resistenza strutturale. Infine le parti coinvolte discretizzate in elementi finiti vengono definite come corpi deformabili e inclusi in una tabella di contatto in cui vengono inseriti i parametri di contatto e strisciamento con attrito per ogni accoppiamento.
Per ogni Tx vengono definiti I parametri di tolleranza di contatto e bias da calibrare in modo preciso per una buona convergenza di calcolo, in particolare per T2 che definisce il contatto tra superfici coniche estese. I valori dipendono anche dalla densità dei nodi delle parti discretizzate.
Modellazione del serraggio
Vi sono due modi per considerare il serraggio:
1) Assumere l’ipotesi di precarico costante alle sezioni di serraggio. Non c’è modellazione del tirante, sostituito da due forze contrapposte costanti date. 2) Modellazione del bullone e cambio delle condizioni di vincolo nelle varie fasi di simulazione: precarico e applicazione del carico esterno.
Modello completo di tirante
Il primo metodo è molto più semplice e diretto ma per rendere valida l’ipotesi è necessario che il carico applicato giaccia nel piano centrale ortogonale al piano d’interfaccia e sia principalmente di tipo flessionale. Solo in queste condizioni le variazioni di carico alle sezioni di serraggio risultano trascurabili come da esperienza di test.
Nel secondo metodo la simulazione è più rigorosa e può essere generalizzata a tutte le situazioni di carico anche non simmetriche, ma richiede un impegno di calcolo maggiore.
In entrambi i casi in questi modelli la connessione tra i nodi di precarico e le semi-bande è stata considerata rigida, tramite RBE2, in quanto da un’analisi dedicata è risultato che questa semplificazione non porta a riduzione di accuratezza e risulta leggermente conservativa ai fini della verifica dell’assieme del clampaggio.
DEFINIZIONE DELL’ANALISI NON LINEARE
Il modello completo del clampaggio inclusivo dei parametri di contatto strisciante tra corpi deformabili viene quindi sottoposto ad analisi tramite modulo NASTRAN SOL400 secondo le seguenti fasi:
STEP-1 Stabilizzazione del contatto, accostamento iniziale - Precarico al 6-8%
STEP-2 Fase di serraggio fino a precarico massimo 115-120%
STEP-3 Rilassamento del precarico fino al valore nominale 100%
STEP-4 Applicazione del carico esterno
Tutti gli step vengono considerati in condizioni quasi-statiche.
Per ciascuno step il numero di incrementi di analisi è stato definito in base alla convergenza e all’accuratezza del risultato.
RISULTATI DELL’ANALISI NON-LINEARE A CONTATTO SCORREVOLE CON ATTRITO
Vengono correlati i dati di test di due tipologie diverse di banda: nel primo caso si tratta di banda a fascia sottile con bassissima rigidezza flessionale e nel secondo caso con banda semirigida con sezione a C, per la quale risulta una moderata rigidezza flessionale e bassissima rigidezza torsionale. I risultati analitici da MSC NASTRAN SOL400 confermano quanto misurato nei test con buona correlazione (deviazione massima 3%, media <2%).
CONCLUSIONI
Considerazioni sui risultati analitici e loro correlazione
I modelli sviluppati con l’approccio non lineare a contatto scorrevole restituiscono sin dalle prime esecuzioni un andamento molto fedele a quanto riscontrato nei test anche con l’ipotesi di precarico costante, a condizione che il carico di test rispetti i limiti dell’ipotesi di calcolo. È stato sufficiente calibrare di qualche percentuale i parametri analitici di contatto per ottenere una correlazione con una deviazione massima del 3%, media non superiore al 2%, su quanto rilevato dagli estensimetri sulla banda e comunque con valori sempre conservativi dei risultati analitici rispetto al test.
Considerazioni finali di studio
Lo studio descritto ha permesso di sviluppare una metodologia di modellazione e calcolo molto affidabile per la previsione di prestazioni ed evidenziazione di problematiche strutturali per il clampaggio Marman fino ad oggi solo valutati qualitativamente o del tutto ignorati. Metodologie derivate da questo approccio possono essere sviluppate per la gran maggioranza dei clampaggi e dei serraggi ad attrito scorrevole. Lo studio può direttamente essere applicato anche per progettazione di dispositivi di volo come anche per applicazioni di qualunque settore anche al di fuori dell’aerospaziale
BIBLIOGRAFIA
[B1] NASA GD-ED-2214 “Marman clamp system design guidelines”
[B2] Lazansky C., “Refinement of a Low-Shock Separation System”, 41st Aerospace Mechanisms Symposium, Jet Propulsion Laboratory, May 16-18, 2012.
[B3] Guo H., Wang D., Liang E., “A Methodology to Predict Axial Clamping Force and Anti-rotating Torque for V-band Joint”, SAE Technical Paper 10.4271/ 2010-01-1813, 2010 doi: 10.4271/2010-01•1813.
[B4] Ladisa, P. and Santonico, G., “Non Linear Finite Element Verification Approach for Marman Fitting in Space AIT Operations,” SAE Int. J. Aerosp. 7(2):2014, doi:10.4271/2014-01-2268.