Lo scopo di questo progetto è l’analisi statica e modale di un’elica navale. È stato realizzato un modello 3D di un’elica navale con il software Solidworks. Successivamente sono state effettuate delle analisi statiche e modali mediante il metodo degli elementi finiti, sfruttando il software ANSYS.
Elica navale
L’elica trasforma la potenza meccanica di un albero rotante in variazione della quantità di moto di un fluido. Lo scopo è generare una propulsione secondo il principio di azione e reazione. Il moto impresso al fluido è detto elicoidale e risulta combinazione di un moto assiale e di uno rotazionale. L’elica è estesamente utilizzata per la propulsione sia in ambito nautico che in ambito aeronautico.
Un’elica è costituita da uno o più elementi fluidodinamici chiamati pale. Tali pale impongono una variazione di quantità di moto nella direzione di avanzamento. Le pale sono calettate su un mozzo, collegato all’albero rotante. Le caratteristiche geometriche delle pale determinano le peculiarità del propulsore.
Le eliche possono innanzitutto suddividersi sulla base del tipo di fluido nel quale agiscono:
- eliche aeronautiche, studiate per agire in una miscela di vapori e gas che è l’aria. Data la scarsa densità di quest’ultima le eliche aeronautiche sono caratterizzate soprattutto dalle alte velocità di rotazione;
- eliche navali che operano nell’acqua. Data la maggiore densità del fluido le velocità di rotazione sono più basse e le pale più spesse.
Modello CAD e FEM
L’elica navale è un organo meccanico caratterizzato da una struttura geometrica estremamente complessa. Progettare un’elica è un processo che richiede esperienza nel settore. Nell’ambito di questo lavoro si è preferito studiare un’elica le cui caratteristiche geometriche fossero note a priori.
Inizialmente la superficie inferiore del mozzo è stata bloccata una mentre all’altra superficie è stato lasciato come grado di libertà una traslazione. Successivamente per simulare la deformazione radiale per effetto della centrifugazione, si è lasciato al mozzo un grado di libertà di traslazione. Sotto le stesse condizioni di carico, per queste due condizioni di vincolo si sono ottenute delle tensioni massime equivalenti che differiscono del 17% (358 MPa nel primo caso e 298 MPa nel secondo).
La componente centrifuga inizialmente è stata calcolata in maniera discreta. Tuttavia si è voluto effettuare un calcolo più raffinato assegnando un campo di moto rotazionale alla struttura. I risultati ottenuti in termini di tensione massima equivalente di Von Mises sono poco differenti (390 MPa nel primo caso, 358 MPa nel secondo caso con uno scarto dell’8%). Ciò ha permesso di concludere che le forze centrifughe discretizzate sono state calcolate in maniera accurata.
Le tensioni massime equivalenti ottenute in tutte le simulazioni statiche effettuate sono risultate sempre inferiori alla tensione di snervamento del materiale scelto (acciaio CA6NM). L’elica navale studiata non raggiunge mai il campo plastico.
Analisi modale
L’esecuzione dell’analisi modale ha come scopo quello di determinare le frequenze naturali del sistema. Le frequenze proprie del sistema sono state valutate sia in presenza che in assenza di vincoli. Nel caso in cui la struttura risulti vincolata, la prima frequenza propria risulta essere pari a 58.7 Hz ed il modo di vibrare associato è tipo flessionale.
Per verificare l’ordine di grandezza di questa frequenza si è fatto il confronto con una struttura semplificata equivalente. È stata utilizzata una trave incastrata avente una distribuzione di massa prossima a quella di una pala dell’elica. In tal caso la frequenza propria del sistema è pari a 120 Hz. Tale valore si discosta da quello calcolato per l’elica. Si è pensato allora di confrontare la frequenza propria della trave incastrata con quella di una singola pala. Questa ulteriore verifica è stata fatta in quanto la frequenza di 58.7 Hz è relativa all’intera elica mentre la frequenza di 120 Hz è relativa ad una trave incastrata che simula una sola pala. Effettuando quindi l’analisi modale di una singola pala si sono ottenute frequenze proprie dello stesso ordine di grandezza di quella del modello semplificato.
Nel caso elica non vincolata la prima frequenza propria è pari a 48.6 Hz a cui corrisponde un modo flessionale. Tra il caso con vincoli e quello senza, si è registrato uno scarto del 17% sulla prima frequenza propria. In entrambi i casi le prime frequenze sono superiori a quella di eccitazione dell’elica, pari a 30 Hz, escludendo problemi di risonanza. Alla luce di quanto esposto, si può concludere che l’elica navale studiata ha superato sia la verifica statica che quella modale.
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