Modellazione integrata multibody FEM di un albero a gomiti per motore C.I.

Crankshafts of internal combustion engines made for areonautical applications require an high reliability and, at the same time, to be optimized in weight to reduce the mass of the aircraft. In order to achieve this goal an accurate knowledge of the stresses generated during engine operations is required. The ability to predict those stresses can support design choices and shorten physical experimentation time. A rigid bodies model of the engine has been therefore developed in the Modelica language, and simulated in the Dymola environment. The model can simulate different operating conditions of the engine, such as steady state rotation or run-up and run-down transients. Validation has been performed by means of a prototype built by a company operating in this field. The model has been designed to be modular and highly reusable so it can be used to compare different design versions. The simulation results, including forces acting on the cranks and torques generated by auxiliaries, have been used in order to calculate crankshaft's stresses by means of a finite elements model, both in static and dynamic conditions. The models and the methodology developed have been used in order to support the design of a brand new crankshaft prototype.

Gli alberi a gomiti per motori a combustione interna destinati ad applicazioni aeronautiche richiedono un elevato grado di affidabilità e devono, contemporaneamente, essere ottimizzati per limitare le masse presenti sul velivolo. Per soddisfare quest'ultimo e importante requisito è indispensabile un'accurata conoscenza degli sforzi generati durante il funzionamento. Poter prevedere le sollecitazioni presenti permette di supportare le scelte progettuali e ridurre i tempi della sperimentazione fisica. Nell'ambito del presente lavoro di tesi è stato sviluppato un modello a corpi rigidi del sistema motore in linguaggio Modelica, tramite il quale è possibile simulare le diverse condizioni di funzionamento del motore al banco prova, quali la rotazione a regime, i transitori di velocità e di avvio. La validazione è stata effettuata tramite i dati di un prototipo realizzato da un'azienda del settore. Sfruttando le proprietà del linguaggio, il modello è stato reso modulare e altamente riutilizzabile, favorendo il suo impiego per il confronto di diverse versioni progettuali. I risultati ottenuti durante la simulazione, che comprendono le forze scambiate nei manovellismi e le coppie generate dagli organi ausiliari, sono stati utilizzati per il calcolo degli sforzi nell'albero motore tramite un modello ad elementi finiti, sia in condizioni statiche che dinamiche. I modelli e il metodo realizzato sono stati infine utilizzati nell'ambito della progettazione di un nuovo albero motore.