1. I
NTRODUZIONE
L’argomento della tesi consiste nello studiare l’evoluzione dello stato di tensioni residue introdotte su ingranaggi per uso aeronautico fabbricati dall’azienda AVIO S.p.A, tramite modellazione agli elementi finiti. Questa tesi nasce dalla collaborazione tra l’azienda succitata e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione dell’Università degli studi di Pisa nell’ambito delle campagne di ricerca e prova su ingranaggi a denti dritti. Il lavoro svolto, nei primi capitoli, riguarda uno studio generale sulle tensioni residue in cui si spiega, per casi generali, la definizione e l’origine degli stati di coazione residua, la loro natura e i processi tecnologici tramite i quali vengono introdotte all’interno dei componenti meccanici. Si definiscono inoltre le maggiori tecniche utilizzate ai nostri giorni per la misurazione ed inoltre tecniche di analisi per via numerica. Successivamente vengono descritte le modalità e i risultati ottenuti dalle misurazioni effettuate da AVIO subito dopo il processo di fabbricazione, di alcune ruote test prima della loro messa in prova e quelle invece ottenute durante l’esperienza svolta dai ricercatori del CRTM presso l’università di Trento su ruote test che invece avevano già subito in precedenza svariati cicli di carico in prova sul banco presso il laboratorio “Scalbatraio”. Partendo dai dati ricavati dalle relative relazioni tecniche, è stato effettuato un confronto dei risultati ottenuti e dopo aver riscontrato delle variazioni si è proceduto ad identificarne le cause. In particolare, avendo verificato che lo stato di tensione residua era sostanzialmente diminuito, considerando le differenti condizioni delle ruote test, sia a livello geometrico (presenza o meno di bombatura) sia a livello meccanico ( le une nuove di fabbrica, le altre già provate), si è cercato di sviluppare un modello analitico tale da poter descrivere il comportamento meccanico che il materiale delle ruote avrebbe assunto durante le prove effettuate su banco. Dopo aver analizzato in linea generale le varie tipologie di comportamento meccanico dei materiali , si è in definitiva assunto che un possibile modello di comportamento potesse essere quello di un materiale elastico visco-plastico. Ad esso si è poi associato un modello reologico atto a caratterizzarlo in modo schematico. In seguito si è implementato il modello analitico all’interno di un software di calcolo (Matlab©) per poter avere un’idea della correttezza del suo funzionamento. L’ultima parte è stata
infine quella concernete la modellazione agli elementi finiti tramite l’utilizzo del software ANSYS© tramite il quale si è eseguita un’analisi non lineare utilizzando una geometria 2D per minimizzare i tempi di calcolo per cui i risultati ottenuti possono
essere considerati validi solo nelle zone in cui valgono le proprietà di pain strain, cioè
nelle sezioni centrali di denti di ruote di spessore sufficientemente largo. L’analisi effettuata è stata suddivisa in due parti principali, una relativa al caso di carico di flessione del dente e una relativa al caso di contatto di due denti in presa. Per ambedue i casi la prima fase è stata quella di riprodurre, tramite la scelta di opportuni elementi della mesh e delle proprietà del materiale, il comportamento meccanico definito in maniera analitica nella sezione precedente. Successivamente per il primo caso si è introdotto lo stato di tensione residua estrapolato dai dati relativi alle misurazioni effettuate da AVIO, nell’intorno del raccordo di fondo dente che subisce maggiormente l’effetto del carico di flessione, quindi si è riprodotto il singolo ciclo di carico a flessione che il dente subisce, trascurando gli effetti di plasticizzazione ciclica (addolcimento), pur considerando i vari livelli di carico a cui la ruota è stata sottoposta e alcune variabili importanti quali tempo e temperatura delle ruote in prova, ai fini di determinati comportamenti meccanici (creep). Intervallando ai vari step di carico quelli di scarico si è cercato di vedere alla fine l’evoluzione dello stato di tensione residua introdotto. Il secondo caso invece è stato trattato, in prima analisi come un normale caso di contatto tra due denti in presa. Successivamente, una volta estrapolati i valori della pressione di contatto e ricostruito il profilo di pressione, è stato modellato il singolo dente in cui in una prima fase, è stato introdotto il profilo di tensione residua in profondità nell‘intorno della zona di contatto, ricavato sempre dai dati AVIO e poi modellato il carico fornito dal profilo di pressione precedentemente ricavato. Effettuata poi la fase di scarico, sono stati ricavati i dati relativi alle nuove condizioni del profilo di tensioni residue rimanenti. In conclusione si è effettuato un confronto incrociato tra i dati relativi alle misurazioni effettuate da AVIO e quelle effettuate dal CRTM del DIMNP dell’Università degli studi di Pisa e i risultati ottenuti dai casi modellati tramite l’analisi agli elementi finiti effettuata.
