Co-simulazione con MSC Adams e MSC Marc su un veicolo ferroviario a doppio livello di sospensione

Il presente lavoro di tesi ha come obbiettivo principale quello di mettere in risalto le potenzialità di una tecnologia innovativa, utile in campo ingegneristico per modellare la realtà con maggior accuratezza ed efficacia: la co-simulazione. Essa permette di affrontare problematiche molto complesse attraverso una comunicazione costante tra più applicazioni software.

Tale studio è stato eseguito considerando come sistema meccanico un veicolo ferroviario a doppio livello di sospensione. In particolare, è stato preso in considerazione un sistema multi-body di veicolo (modellato in MSC Adams) e un elemento FEM di molla ad aria (modellato in MSC Marc), presente nel sistema di sospensione secondaria e caratterizzata da una forte non linearità dovuta al suo materiale.

Il modello multi-body è caratterizzato da una cassa e due carrelli. Ogni carrello presenta a sua volta tali elementi:

• telaio carrello;
• due sale montate;
• quattro corpi boccola;
• la sospensione primaria (molla, smorzatore e boccola);
• la sospensione secondaria (molla e smorzatore).

L’inserimento di opportuni attuatori, posti a contatto con le ruote delle sale montate, ha permesso la modellazione della giusta dinamica del veicolo, dovuta alle irregolarità del tracciato su cui viaggia.

È alquanto importante, una volta conclusa la fase di modellazione, effettuare delle analisi per lo studio del modello creato. In tale progetto e su tale modello è stata eseguita un’analisi modale a seguito di una simulazione statica ed un’altra analisi modale a seguito di una simulazione dinamica. Lo scopo di tali analisi è studiare gli autovalori del sistema per definirne la stabilità.

Il modello FEM di molla ad aria a sua volta è costituito da tre corpi:

• piastra superiore (Upper plate);
• piastra inferiore (Lower plate);
• Camera ad aria (Airbag).

Una volta inseriti nel sistema FEM le caratteristiche dei materiali (Acciaio, Mooney-Rivlin e Rebar), gli elementi di modellazione e la cavità (utile per rappresentare l’aria presente al suo interno), sono state eseguite delle simulazioni statiche per la validazione del modello FEM di molla ad aria.

Terminata la fase di modellazione e validazione dei sistemi meccanici prima descritti, è possibile implementare la co-simulazione tra questi attraverso il software MSC CoSim. Tale tipologia di simulazione permette una comunicazione tra i due codici di calcolo di interesse (MSC Adams ed MSC Marc). Precisamente, il modello multi-body trasferisce gli spostamenti al modello FEM, mentre quest’ultimo comunica al multi-body le forze di reazione e la matrice di rigidezza tangenziale.

La complessità del veicolo ferroviario ha portato ad eseguire una prima co-simulazione su modelli semplificati, al fine di valutare le caratteristiche e il comportamento della molla ad aria. In particolare, è stato modellato in MSC Adams una massa di prova di 5tonn (pari a ¼ della cassa del veicolo) e, al fine di valutare la condizione di equilibrio statico della molla, è stato fatto variare gradualmente la gravità da 0g al suo valore di 9.80655g per ogni decimo di secondo.

Conclusa la fase di studio sui modelli semplificati, si è passati ad eseguire la co-simulazione tra il veicolo ferroviario e la molla ad aria. In particolare, sono state inserite le opportune GFORCE sul multi-body, le quali dovranno comunicare costantemente durante l’intera co-simulazione con i rispettivi nodi d’interfaccia, implementati sul modello FEM di molla ad aria.

La potenza e l’accuratezza della co-simulazione sono messi in evidenza nei risultati ottenuti. Infatti, un primo output interessante è espresso in figura, in cui è possibile evidenziare l’andamento dello spostamento della cassa del veicolo ferroviario in funzione del tempo di simulazione. Tale plot mette in risalto le ottime performance della molla ad aria in termini di isolamento delle vibrazioni.

I successivi due grafici, invece, raffigurano l’andamento della pressione e del volume della cavità presente nella molla ad aria. Questi mostrano come anche tali grandezze vengono influenzate dalla dinamica derivante dal modello multi-body.

Particolare interesse, infine, presenta il diagramma delle forze di reazione sopra e sotto la molla, il quale risulta anch’esso influenzato dalla legge di moto proveniente dal multi-body.

I risultati così ottenuti mostrano come con la co-simulazione è possibile studiare problematiche molto complesse in maniera decisamente più realistica e accurata.

AUTORE: Pietro Palumbo

RELATORI: Mario Terzo – Salvatore Strano

CORRELATORE: Daniele Catelani

ANNO ACCADEMICO: 2019/2020