Analisi FEM per la durabilità strutturale di un riduttore bistadio mediante Solidworks Simulation

This final report proposes to analyze and to determinate some parameters concerning the fatigue behavior and a deformability behavior of an intermediate shaft of a two-stage gearbox, previously designed during the "Machine Construction 1" course, through the use of the FE analyses method supported by SolidWorks Simulation. In particular, the objectives of the study are: 1. verification of the flexural fatigue of the intermediate shaft, determining the theoretical concentration factor of the bending stresses Kt, in some of its critical sections; 2. verification of the flexural deformability of the intermediate shaft, determining “arrows” and rotations suffered by the shaft due to the forces Ft and Fr deriving from the action of the toothed wheels mounted on the shaft itself. Before determining the parameters of interest concerning the gearbox shaft, it is of fundamental importance to understand the basic theory of the FE analyses method, introducing terminology and basic concepts. To then continue with a training activity in the use of SolidWorks Simulation, for the modeling of the structures to be analyzed, but mainly focused on use of the FE analyses method. In particular, two structures will be considered in the training phase, a flat frame and a perforated plate, to be modeled and analyzed using the software. For the piano frame will be determined: 1. the deformation in terms of displacement of the nodes; 2. the constraint reactions; 3. bending moment, shear and normal stress diagrams; 4. carry out the structural checks with the method of the allowable stresses for all the beams of the structure; when there is the simultaneous action of a vertical load distribution q and of the lateral load F. For the perforated plate will be determined: 1. the theoretical stress concentration factor referred to the gross section Ktg, exploiting the symmetries; 2. the diagram of the Ktg trend as a function of the number of elements of the mesh along the edge of the hole and compare it with the Ktg value reported in the Peterson manual; when the perforated plate is subjected to traction.

La seguente relazione propone di analizzare e determinare alcuni parametri riguardanti il comportamento a fatica e a deformabilità di un albero intermedio per un riduttore bistadio, precedentemente progettato durante il corso di “Costruzione di Macchine 1”, servendosi del metodo di analisi agli elementi finiti mediante il software SolidWorks Simulation 2021. In particolare, gli obiettivi dello studio sono: 1. La verifica a fatica flessionale dell’albero intermedio, determinando il fattore teorico di concentrazione delle tensioni a flessione K_t, di alcune sue sezioni critiche; 2. La verifica a deformabilità flessionale dell’albero intermedio, determinando frecce e rotazioni subite dall’albero per effetto delle forze F_t e F_r derivanti dall’azione delle ruote dentate montate sull’albero stesso. Prima di eseguire l’analisi e determinare i parametri di interesse riguardanti l’albero del riduttore, risulta di fondamentale importanza comprendere la teoria di base del metodo di analisi strutturale agli elementi finiti, introducendo terminologia e concetti di base. Per poi proseguire con una attività di addestramento all’uso di SolidWorks, per la modellazione delle strutture da analizzare, ma principalmente rivolta all’applicazione del metodo di analisi agli elementi finiti. In particolare, nella fase di addestramento verranno studiate due strutture distinte, un telaio piano, derivante da un telaio più complesso, e una piastra forata, entrambe da modellare e analizzare con il metodo FEM attraverso il software. Nello specifico, per il telaio piano si vuole: 1. determinare la configurazione deformata in termini di spostamento dei nodi; 2. determinare le reazioni vincolari esercitate ai vincoli; 3. determinare i diagrammi del momento flettente, del taglio e dello sforzo normale; 4. eseguire le verifiche strutturali con il metodo delle tensioni ammissibili per il corrente superiore, le colonne e i controventi; quando si ha la contemporanea azione di un carico verticale distribuito q e del carico laterale F. Mentre, per la piastra forata si vuole determinare: 1. il fattore teorico di concentrazione delle tensioni riferito alla sezione lorda K_tg, sfruttando le simmetrie; 2. il diagramma dell’andamento di K_tg in funzione del numero di elementi della mesh presenti lungo il bordo del foro ed eseguirne il confronto con il valore di K_tg riportato dal manuale del Peterson; quando la piastra forata è sollecita a trazione.