Analisi numerica strutturale della forcella

Per conoscere meglio le reali condizioni di lavoro del sistema sotto carico, è necessario analizzare l’interazione tra la forcella ed il menisco interposto tra la sua superficie e la flangia della chiocciola. Pertanto, il processo di ottimizzazione implica la valutazione dei parametri funzionali e la

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successiva verifica della geometria mediante simulazioni agli elementi finiti, tenendo conto, in particolare, delle condizioni di carico estremo.

Il giunto ed il menisco sono stati modellati mediante l’utilizzo di un software CAD parametrico, in modo da poter agevolmente modificare ed aggiornare la geometria, per ottenere la configurazione ottimale del sistema. In particolare, è stata curata con attenzione la porzione del giunto posta a contatto con il menisco, in quanto le condizioni di funzionamento del sistema dipendono dall’interazione di questo con la porzione sottostante. Inoltre, la geometria esatta è stata scelta in modo tale da minimizzare gli ingombri complessivi dei due componenti del sistema ed analogamente a quanto fatto per le altre parti della colonna del rover. In figura 4-50 sono illustrati i modelli CAD dei due componenti in esame.

Figura 4-50: Modelli CAD dei componenti forcella (a) e menisco (b) utilizzati nel dispositivo di trasmissione vite- madrevite

Una volta definite le geometrie ed eseguita la quotatura funzionale [67] [68], si è proceduto alla verifica dell’assemblaggio dei componenti ed alla determinazione di due principali parametri funzionali, con riferimento allo schema funzionale descritto nel paragrafo 4.6.1. Il primo parametro è rappresentato dal massimo spostamento consentito al giunto in direzione perpendicolare all’asse della vite. Questo parametro è stato determinato considerando le due condizioni di assemblaggio limite del sistema e corrispondenti alle condizioni di massima e minima distanza tra l’asse della vite e la slitta.

I valori di tale distanza che sono stati calcolati vanno da un minimo di 46 mm ad un massimo di 48,5 mm. Pertanto il dispositivo è in grado di compiere piccole oscillazioni, in direzione radiale alla vite, con un’ampiezza di circa 2,5 mm.

Il secondo parametro, relativo alla massima rotazione consentita al giunto in direzione perpendicolare all’asse della vite, è risultato pari a circa 4°.

Figura 4-51: Gioco tra il menisco e la forcella che consente la rotazione del giunto in direzione perpendicolare all’asse della vite

Figura 4-52: Parametri funzionali dell’accoppiamento forcella-menisco

La distanza nominale, d, tra la porzione di piano inferiore della forcella e la porzione di piano superiore del menisco, indicata con la freccia rossa in figura 4-51, assume un valore costante definito dalla geometria delle due parti. Quando il rover è operativo, questa distanza cambia in funzione dell’assetto del rover e del carico trasportato.

Tale distanza è stata valutata considerando diverse condizioni operative, corrispondenti al rover a pieno carico in differenti assetti, normali e anomali, che possono verificarsi durante le attività svolte su terreni accidentati. I risultati di queste simulazioni sono riportati in figura 4-53.

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 d [mm]

Quattro Tre Due

Gioco in funzione dell'assetto del rover

Figura 4-53: Rappresentazione grafica della distanza tra menisco e forcella in diverse configurazioni di assetto: quattro colonne, tre colonne, due colonne

Figura 4-54: Condizione operativa limite con il rover che poggia sul suolo con solo due colonne

Dal diagramma in figura 4-53 emerge che quando si verifica la condizione più critica, corrispondente al rover sostenuto da solo due delle quattro colonne, esiste ancora un gioco tra le parti a contatto. Bisogna tenere presente, che questa condizione limite, potrebbe verificarsi solo in particolari circostanze, ad esempio, nel caso in cui dopo aver sollevato una sola colonna, il rover si trovi ad oscillare alla ricerca dell’appoggio mancante. In questa circostanza tale oscillazione comporta, per un breve periodo di tempo, che il peso del rover si ripartisca su due colonne, come

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Si procede ora alla verifica strutturale del sistema menisco forcella; tale verifica è stata effettuata mediante la modellazione agli elementi finiti dei due componenti utilizzando un codice commerciale.

La discretizzazione del modello ad elementi finiti dei due componenti è riportata nella successiva Figura 4-55.

Il giunto a forcella ed il menisco sono stati modellati utilizzando degli elementi tridimensionali del tipo ‘brick’ e sono stati inoltre utilizzati degli elementi di contatto per simulare il comportamento dell’interfaccia tra il giunto ed il menisco. Il materiale utilizzato per il giunto è una lega di alluminio, nota come Anticorodal. Per quanto riguarda il menisco, è stato scelto il Nylon 6.6, polimero sintetico caratterizzato da un basso coefficiente d’attrito, ed una resistenza non trascurabile.

In tabella 4-4 vengono riportate le caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati per l’analisi numerica dei modelli.

Tabella 6: Caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati per il sistema menisco-forcella

Materiale σsn [MPa] σr [MPa]

Anticorodal-110 310 350

Nylon 6.6 70 140

Sono state svolte differenti simulazioni, ma, in particolare, è stata presa in esame la condizione di funzionamento più gravosa per il rover. Tale condizione, come detto in precedenza, corrisponde al caso in cui, accidentalmente, il rover dovesse assumere un assetto tale da sostenersi solo su due delle quattro colonne. Questa condizione, inoltre, potrebbe verificarsi mentre il rover trasporta un carico pari al valore limite di progetto che è stato fissato pari a 800N, corrispondente ad una massa di circa 500Kg nell’ambiente lunare. La successiva figura 4-56 riporta una rappresentazione del tipo isocolori della distribuzione delle tensioni secondo Von Mises.

Figura 4-56: Andamento delle tensioni di Von Mises per il sistema menisco-forcella

Figura 4-57: Andamento delle tensioni di Von Mises per la forcella (a) e per il menisco (b)

I risultati ottenuti mostrano che i due componenti soddisfano sono in grado di operare in condizioni di sicurezza per i carichi assegnati: i materiali e la geometria proposta risultano adeguati ai requisiti di carico.

Un altro studio sviluppato sul dispositivo è stato quello di analizzare il comportamento, sotto carico, delle parti costituenti l’accoppiamento menisco forcella, utilizzando diversi materiali. Le simulazioni, condotte sempre sotto la condizione limite di funzionamento, sono state eseguite tenendo conto delle diverse combinazioni tra il materiale della forcella e quello del menisco sottostante. In particolare, viene riportato lo studio relativo al comportamento del dispositivo sotto carico, utilizzando per la forcella una lega di alluminio, commercialmente nota come Anticorodal, e per il menisco, in un caso una lega di rame, CuSn12, comunemente usato per la produzione di chiocciole e in un altro caso il Nylon 6.6, caratterizzati entrambi da un basso coefficiente di attrito.

[MPa]

[MPa]

Costantino Falchi Sistemi di presa e movimentazione di robot non convenzionali 0 100 200 300 400 500 600 700 [MPa] Al-Bronzo Al-Nylon Von Mises

Figura 4-58: Rappresentazione delle sollecitazioni di Von Mises relative a diversi materiali utilizzati nell’accoppiamento menisco-forcella

Il diagramma in figura 4-58 mostra il massimo valore della sollecitazione di Von Mises ottenuta dall’accoppiamento tra il menisco e la forcella nei due casi considerati.

Effettuando una comparazione dei risultati ottenuti, si può asserire che l’accoppiamento forcella menisco, costituito dal binomio Alluminio Nylon, rappresenta la miglior soluzione dal punto di vista della resistenza strutturale, sotto carico. In particolare dallo studio eseguito è emerso che, in generale, utilizzando materiali plastici, per il menisco, le due parti accoppiate risultano essere meno stressate rispetto all’impiego di materiali metallici, come ad esempio il rame.

Di seguito viene illustrato il comportamento del dispositivo dal punto di vista del tipo di contatto, che si manifesta sulla superficie del menisco. Quello riportato in figura 4-59 rappresenta il contatto durante il funzionamento standard del rover, vale a dire quando l’intero carico è ripartito su tutte le colonne.

Figura 4-59: Rappresentazione isocolore della superficie di contatto tra menisco e forcella

Come si può osservare dalla rappresentazione iso colore in figura 4-59, la maggior parte della superficie del menisco non è interessata dal contatto, mentre una piccola area concentrata nella zona

centrale della superficie curva, dove le due parti sono appoggiate, mostra slittamento tra le parti a contatto.