• Introduzione

• Modo di procedere

• Analisi cinematica

• Modifiche costruttive

• Analisi FEM

• Bibliografia e ringraziamenti

Abbiamo effettuato l’analisi FEM della biella e del pistone alleggeriti, in modo da verificare che, nonostante le modifiche fatte, questi pezzi resistano ai carichi raggiunti nella fase di combustione.
Riportiamo alcune indicazioni tratte dall’analisi della biella alleggerita, ottenuta con l’opzione Rapporto nella sezione Analisi sollecitazione di Inventor.
La finezza della mesh, utilizzata in questa analisi, è stata controllata mediante l'impostazione di pertinenza indicata sotto. Per riferimento, un'impostazione inferiore a 100 produce una mesh spessa, soluzioni rapide e risultati con possibili incertezze significative. Un'impostazione superiore a 100 genera una mesh fine, tempi di soluzione più lunghi e minore incertezza nei risultati. L'impostazione di default per la rilevanza è zero.

Le quote del riquadro d'ingombro rappresentano le lunghezze nelle direzioni X, Y e Z globali.
Per questa analisi il materiale è lineare, quindi la sollecitazione è direttamente proporzionale alla deformazione; costante, perciò le proprietà sono indipendenti dalla temperatura; omogeneo, per cui le proprietà sono uguali in tutto il volume; isotropo, quindi le proprietà sono uguali in tutte le direzioni. Le sue caratteristiche sono riportate nella seguente tabella.

Per quanto riguarda la biella, abbiamo applicato una forza nel piede di biella data dalla pressione esercitata dai gas durante lo scoppio, trascurando invece le forze d’inerzia, in quanto, essendo queste opposte alla forza dei gas, diminuirebbero la forza esercitata sulla biella. Abbiamo considerato la pressione massima pari a . Come abbiamo già spiegato nel capitolo dedicato all’analisi cinematica, la forza di pressione che agisce assialmente sulla biella è data da

Nella posizione del PMS, in corrispondenza della quale si ha la pressione massima,  e quindi , per cui la forza agente sulla biella è uguale alla forza dei gas, pari a

Trascurando la pressione atmosferica, otteniamo

Abbiamo inoltre applicato alla testa della biella un vincolo fittizio, del tipo cerniera, che permetta di riprodurre il comportamento reale.
La forza ed il vincolo, ed i relativi valori, sono rappresentati nell’immagine e nella tabella seguente.

Figura 44 - Vincolo e forza biella

Tabella 10 - Vincolo e forza biella

I dati del vettore corrispondono alle componenti X, Y e Z globali.
Nella tabella che segue sono riportati tutti i risultati strutturali generati dall'analisi. Le figure nella sezione seguente illustrano i singoli risultati contornati sulla superficie della parte.

Figura 45 - Sollecitazione equivalente biella

Il grafico della sollecitazione equivalente mostra che il valore massimo, applicato alla biella, è di . Essendo questo valore minore del carico di snervamento dell’acciaio AISI 410, pari a , concludiamo che la biella alleggerita resiste ai carichi applicati.

Figura 46 - Sollecitazione principale massima biella

Figura 47 - Sollecitazione principale minima biella

Figura 48 – Deformazione biella

Questo grafico è errato, poiché Inventor non ci ha permesso di applicare il vincolo reale a cui la biella è soggetta, che permetterebbe di ottenere lo stato di deformazione corretto. Abbiamo provato ad imporre un vincolo tipo cerniera nel piede di biella, ma la deformazione ottenuta era comunque errata.
Anche la deformata risulta quindi errata, come si può notare dai vari grafici. Questo avviene perché Inventor non permette di applicare la forza in un punto preciso, indicando le coordinate, ma richiede di selezionare il punto con il puntatore del mouse. Per questo motivo non si riesce ad applicare la forza esattamente nel punto di simmetria della biella e quindi si crea un’asimmetria della sollecitazione. Inoltre si deforma il piede di biella per il motivo detto sopra, ossia perché nell’analisi FEM questo non è vincolato come è nella realtà.

Figura 49 - Fattore di sicurezza biella

Il fattore di sicurezza è stato calcolato utilizzando la teoria della rottura da sollecitazione equivalente massima per i materiali duttili. Il limite di sollecitazione è stato specificato tramite la resistenza allo snervamento da trazione del materiale.
Per quanto riguarda il pistone, abbiamo analizzato la situazione in cui si presenta la pressione massima di . Abbiamo applicato questa pressione sul cielo del pistone, mentre abbiamo posto il vincolo fittizio tipo cerniera dove si trova la sede del perno.
Il vincolo e la pressione applicati sono riportati nell’immagine seguente.

Figura 50 - Vincolo e pressione pistone

Abbiamo riportato le tabelle ed i grafici presi dall’analisi del pistone alleggerito, ottenuta come presentato in precedenza.
Le considerazioni relative alla mesh ed al materiale sono analoghe a quelle scritte per la biella. Il materiale è uguale ed ha quindi le stesse proprietà scritte sopra.

Tabella 12 - Statistiche pistone

Tabella 13 - Vincoli e pressione pistone

Nella tabella seguente sono riportati tutti i risultati strutturali, rappresentati poi nei grafici.

Tabella 14 - Risultati pistone

Figura 51 - Sollecitazione equivalente pistone

La sollecitazione massima che deve sopportare il pistone è pari a . Essendo tale valore molto inferiore al carico di snervamento, possiamo affermare che anche il pistone resiste ai carichi applicati durante il funzionamento del motore.

Figura 52 - Sollecitazione principale massima pistone

Figura 53 - Sollecitazione principale minima pistone

Figura 54 - Deformazione pistone

Figura 55 - Fattore di sicurezza pistone

Da questo grafico si può notare che le modifiche apportate al pistone non hanno assolutamente intaccato la resistenza strutturale del pistone, in quanto il fattore di sicurezza assume un valore molto alto ovunque.