Università degli Studi di Padova – Facoltà di Ingegneria
DIPARTIMENTO DI COSTRUZIONI E TRASPORTI

Tesi di Laurea Specialistica

STUDIO DI UNA MACCHINA PER IL SOLLEVAMENTO DI IMBARCAZIONI

RELATORE: ING. MASSIMILIANO LAZZARI
LAUREANDO: LUCA MARCOLIN


ABSTRACT

La macchina in esame fa parte della categoria dei “travel lift”, un apparecchio mobile per il sollevamento. E' utilizzato nei porti e nei cantieri navali per il sollevamento e la movimentazione di imbarcazioni. La portata massima di esercizio per la quale è stato progettato questo nuovo MBH (Mobile Boat Hauler), è pari a 850 tonnellate.

Fig. 1 – Esempio di un Mobile Boat Hauler in fase di esercizio.

L’obbiettivo è quello di analizzare le problematiche principali relative alla struttura del nuovo sollevatore da 850T. In particolare: - Verifiche statiche del limite elastico; - Studio teorico e analitico dei fenomeni di instabilità locale e globale; - Studio del fenomeno del danno a fatica sugli elementi assoggettati a carichi ripetuti. Oltre alle verifiche di resistenza elastica e a fatica devono essere fatti dei controlli per valutare la sicurezza della struttura dell’apparecchio nei confronti della stabilità. Il fenomeno dell’instabilità può innescarsi per raggiungimento della tensione o del carico critico euleriano in alcuni elementi della struttura, questo può portare a fenomeni di instabilità di tipo locale o globale. Per studiare l’instabilità dell’equilibrio a livello globale è stato utilizzato un modello agli elementi finiti. La struttura in acciaio ben si presta ad essere rappresentata per mezzo di elementi monodimensionali tipo “beam”, per ottenere un modello tridimensionale. Alcune parti strutturali come piedritti e longheroni hanno sezione trasversale variabile nella lunghezza dell’elemento stesso, l’utilizzo dell’attributo “taper” recentemente introdotto in Straus7 ha permesso di evitare una discretizzazione vincolata dalla variazione di sezione. Per rappresentare la cedevolezza dei pneumatici sotto carico, il modello è vincolato a terra tramite molle di opportuna rigidezza e non tramite punti fissi.

Fig. 2 - Rappresentazione 3D del modello in condizione di moto trasversale.

E’ stata svolta un’analisi statica e dinamica non lineare per geometria, considerando come combinazione di carico la fase di sollevamento. La stabilità è stata valutata tramite analisi statiche non lineari per geometria, in modo che vengano considerati gli effetti di secondo ordine dovuti ai carichi verticali.

Fig. 3 - Configurazione della struttura al raggiungimento dello stato critico.




Fig. 4 - Grafico carico-rotazione piedritto anteriore.

I modello FEM analizzato, tiene in considerazione solo degli effetti non lineari dovuti dalla geometria del sistema, il raggiungimento del carico critico è molto difficile. Per comprendere anche l’effetto dello stato tensionale a cui gli elementi sono sottoposti, si considera anche la non linearità del materiale. Per poter inserire le caratteristiche del materiale, sono stati considerati i diagrammi tensione-deformazione e momento-curvatura. Gli elementi strutturali verticali come i piedritti sono soggetti sia a flessione che a compressione, questo comporterebbe in un’analisi non lineare l’onere di aggiornare il digramma momento curvatura ad ogni step di carico. Tale diagramma infatti dipende anche dallo sforzo assiale a cui è soggetto l’elemento, con la release 2.4 di Straus7 è possibile affidare questo compito al software.

Fig. 5 - Grafico carico-rotazione piedritto anteriore.

Si è preso in considerazione l’utilizzo di forze non conservative applicate alla struttura per simulare la fase di carico. La forze non conservative sono una categoria di forze il cui lavoro su un oggetto lungo un percorso dipende del percorso che questo compie, gli effetti da esse prodotti non sono conteggiati nel computo dell'energia meccanica.

Fig. 6 - Modello forze non conservative.

Per riuscire ad introdurre questo tipo di azione è stato necessario modificare il modello. Sono stati aggiunti elementi non lineari tipo “Cutoff Bar” per simulare la fune e che cambia angolazione rispetto man mano che la struttura si deforma sollevando il carico. Questo tipo di configurazione ha un effetto stabilizzante per la struttura nella fase di sollevamento del carico.

Fig. 7 - Configurazione della struttura al raggiungimento dello stato critico.


Fig. 8 - Grafico carico-rotazione piedritto anteriore.

Instabilità locale: l’elemento preso in considerazione è la traversa posteriore irrigidita trasversalmente da piatti e longitudinalmente da profili ad L. Secondo la teoria lineare le lastre rimangono piane fino a che, per quel valore del carico detto carico critico, si manifesta la biforcazione dell'equilibrio e la struttura si deforma trasversalmente in maniera non determinabile in quest’ambito. Il carico critico non coincide con la capacita portante ultima delle lastre per le riserve di resistenza post-critica che dipendono dalle condizioni al contorno e dal tipo di sollecitazione. Si è quindi pensato di impostare un modello FEM, tramite il software Straus7, per poter determinare il valore del carico critico di imbozzamento delle lastre e andare oltre considerando le risorse post-critiche. Per realizzare il modello si sono impiegati elementi bidimensionali tipo “plate” a quattro nodi, elementi che si prestano piuttosto bene a rappresentare lastre quali anch’esse elementi bidimensionali. Le analisi svolte sono di tipo statico non lineare per geometria e materiale. Il legame costitutivo considerato per l’acciaio è di tipo elastico – plastico. La sezione presa in considerazione è appunto quella della traversa posteriore che mantiene sezione costante per tutta la sua lunghezza, lo studio sarà limitato ad un concio di essa.

Fig. 9 - Modello di un concio di traversa utilizzato per l'analisi non lineare.



Fig. 10 - Traversa con pannelli imbozzati, gli spostamenti sono stati notevolmente
amplificati per evidenziare gli sbandamenti.

I risultati illustrati nel grafico sottostante, costruito sul massimo spostamento della lastra, evidenziano che lo sbandamento avviene a circa due volte il carico massimo di servizio e soprattutto avviene dopo la plasticizzazione della sezione. E’ possibile asserire che le sezioni così irrigidite forniscano ottime performance.

Fig. 11 - Grafico carico - spostamento per la piattabanda che imbozza per prima.