Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Anthony Ross
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Paolo Lista,
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I progettisti delle linee di automazione industriale hanno di fronte sfide sempre nuove allorquando muovono dall'idea originaria alla realizzazione concreta di un nuovo prodotto. Come potrà un ingegnere essere rassicurato sull'avere effettivamente trovato il miglior design per il prodotto commissionatogli con quei rigorosi vincoli operativi iniziali? Clayton Abel, responsabile sviluppo prodotti alla Anthony-Ross Company, una azienda americana con sede nell'Oregon che produce macchine per la lavorazione della carta, ha recentemente trovato un valido partner in questa sfida.
Quando Abel fu incaricato della progettazione di una parte complessa di macchinario, egli aveva ben chiaro che il modo migliore per assicurare la bontà del progetto era di testare il maggior numero di soluzioni fin dalle primissime fasi.
Sfortunatamente è ben noto a tutti gli ingegneri che prove ripetute di funzionamento e carico in queste prime fasi richiedono o la costruzione di costosissimi prototipi o dispendiose perdite di tempo nel tentativo di risolvere una serie infinita di equazioni geometriche.
Abel però sospettava di poter superare entrambi questi problemi ricorrendo al Working Model, un software di analisi cinematica e dinamica sviluppato dalla Knowledge Revolution di San Mateo, California, USA. Abel aveva infatti visto una pubblicità del Working Model e aveva richiesto informazioni ad uno dei distributori elencati. A dire il vero Abel stava già utilizzando un codice di analisi del moto e pertanto era conscio dei risultati che si sarebbero potuti ottenere. Tuttavia, quando ebbe modo di vedere il Working Model la sua sicurezza si tramutò in stupore, dal momento che questa piattaforma consentiva con spontaneità e rapidità la soluzione di problemi veramente complessi, ben al di là di quanto lui stesso ipotizzava fosse il limite del software da lui precedentemente posseduto.
"Il programma che avevo utilizzato fino a quel momento mi sembrava buono, ma il Working Model offriva pił prestazioni con una facilità di utilizzo sorprendente e ad un decimo del costo," concluse Abel procedendo con l'ordine del nuovo pacchetto per la Anthony-Ross. Da più di dieci anni la Anthony-Ross costruiva dispositivi automatici per la pulizia dei canali di scolo delle fornaci di ricupero nell'industria della carta e della cellulosa in genere. Queste fornaci costituiscono i centri di riciclaggio chimico per i mulini della pasta di cellulosa.
I frammenti di legno vengono ridotti in polpa tramite l'uso di grandi quantità di costosi additivi chimici. La polpa così prodotta procede in una direzione per essere lavorata e trasformata in carta, mentre gli additivi chimici ed i residui organici sono inviati ad una fornace di ricupero per essere riciclati. Questi dispositivi raggiungono efficienze anche del 99% e pertanto il loro impatto ambientale è modesto.
LO SMELT SPOUT CLEANER.
Il calore della fornace riduce gli additivi chimici che precipitano nelle zone pił basse del dispositivo sotto forma di un liquido nerastro chiamato smelt. Recentemente, la Anthony-Ross ha deciso di espandere la sua linea di dispositivi per l'automazione con un un dispositivo per la pulizia dei depositi di questo liquido dalle aperture della fornace, battezzato Smelt Spout Cleaner. Infatti, se lo smelt non viene regolarmente rimosso per tutto il percorso di scarico della fornace, tende inevitabilmente a raggrumare e solidificare bloccando i canali di scolo. Di conseguenza il livello dello smelt all'interno della fornace, non più smaltito, cresce oltre i limiti di buon funzionamento: non solo l'efficienza del dispositivo di riciclaggio si abbassa notevolmente, ma aumentano in modo preoccupante anche le emissioni inquinanti. Prima dell'introduzione dello Smelt Spout Cleaner, l'unico modo per mantenere efficiente il sistema consisteva nella pulizia manuale con lunghe pertiche delle aperture di scarico della fornace. Si trattava di una operazione che richiedeva notevoli doti fisiche per gli addetti, esposti per giunta al rischio di fumi o peggio ad essere investiti da getti di liquido bollente.
Abel aveva di fronte varie specifiche per la creazione del nuovo Smelt Spout Cleaner. Il dispositivo doveva poter essere spostato rapidamente ben lontano dalla fornace in modo da non essere esposto ai fumi corrosivi e da poter essere riparato o riutilizzato senza disturbare il lavoro intorno alla fornace. Doveva inoltre essere in grado di rilevare ogni disallineamento con il canale di scolo e rispondere alle deformazioni termiche, per poter pulire le scorie attraverso un percorso tortuoso e dalla geometria continuamente variabile. Infine, dal momento che non esisteva un unico modello di fornace, bisognava tener conto di varie taglie di canali di scolo per non disporre di una soluzione valida solo per certi specifici modelli di fornaci. Abel voleva pertanto progettare un dispositivo universale che non dovesse essere modificato per ogni diversa fornace.
![[Smelt Spout Picture]](spout.gif)
La soluzione proposta consisteva in una lunga pertica orizzontale con un dispositivo di trascinamento a camme. La pertica flessibile si sarebbe mossa avanti ed indietro nel canale di scolo staccando grumi e depositi di smelt. Delle palette, disposte lungo la pertica, si sarebbero a questo punto aperte, raccogliendo grumi e depositi per la loro rimozione dal canale.
DXF IMPORT.
Abel procedette a disegnare queste parti in AutoCAD, le divise in varie sezioni e le esportò via DXF nel Working Model. Assegnò poi a queste parti proprietà di massa, densità e coefficienti di attrito tenendo conto dei diversi materiali impiegati e della loro interazione reciproca. Prima di iniziare la fase di test Abel inserì i vincoli tra tutti gli elementi. "Il Working Model fornisce con un solo click del mouse tutti gli attuatori, motori, molle, smorzatori e cerniere per costruire un modello che si comporti come nella realtà," ha affermato. "Con la soluzione software utilizzata in precedenza, dovevo ogni volta scrivere io stesso le equazioni di ciascun vincolo con un dispendio di tempo notevole. Con il Working Model è sufficiente cliccare sulla icona corrispondente al vincolo desiderato e sistemarlo sulla parte da vincolare, trascinandolo semplicemente con il mouse."
Vincolate tutte le parti, Abel impose i carichi sulle varie sezioni dello Smelt Spout Cleaner. "Il mio obbiettivo era quello di ridurre il più possibile lo stress sulle varie parti del dispositivo." ha precisato. "Uno stress troppo elevato avrebbe causato usura precoce tra gli elementi."
Uno degli aspetti pił innovativi dello Smelt Spout Cleaner consisteva nel sistema di moto della pertica realizzato tramite camme su pista. La pista in questione aveva la forma tipica di quelle in uso nelle montagne russe, per intenderci. Ma doveva essere disegnata con precisione per consentire liberamente il moto della pertica senza essere occlusa dallo smelt rimosso. Non solo quindi doveva sostenere il peso di tutto il dispositivo, ma consentire anche il moto completo delle camme mentre tutto il sistema andava avanti e indietro e su e giù.
"Sarebbe stato improbo calcolare manualmente i carichi su questa pista," ha confessato Abel, "ma il Working Model lo risolse automaticamente. Mi ha consentito di esaminare otto o dieci diverse sagome per la pista in un solo giorno e di pervenire rapidamente al profilo ideale. Senza il Working Model ci avrei messo una settimana o più per calcolare così tante geometrie." Un altro carico preso in considerazione da Abel è stato la forza esercitata dai grumi solidificati dello smelt sulla pertica e sulle sue palette. "Ho modellato anche i grumi di smelt, li ho aggiunti nello scenario e ho analizzato come influenzavano la simulazione dei movimenti," ha continuato Abel. " Questo test ha dato subito precise indicazioni sulla sezione delle camme da usarsi."
Abel ha usato gli attuatori preconfigurati nel Working Model per modellare i cilindri ad aria. "Ho disposto gli attuatori alla base della pertica e lanciato una simulazione," ha detto Abel, " ed ero subito in grado di misurare le forze richieste per invertire il moto della pertica mentre questa penetrava nello smelt e raschiava i grumi. Questo mi ha consentito di dimensionare i pistoni per il lavoro loro affidato."
VELOCITÀ E ACCURATEZZA.
Tutte queste prove sono state svolte rapidamente e senza costruire alcun prototipo fisico tramite il Working Model. " È stato facile determinare il carico su tutti i componenti," ha ribadito Abel. "il Working Model è unico nel consentirmi il calcolo dei carichi dinamici su parti in moto in percorsi così tortuosi."
Durante la simulazione, Abel poteva infatti visualizzare su grafici istantanei l'andamento delle forze e allo stesso tempo compilare delle tabelle tradizionali, sempre in via automatica, per esaminare con calma i risultati prodotti. Individuate le sollecitazioni massime, Abel ha potuto inserire questi valori in un programma di analisi agli elementi finiti per rifinire il progetto, ottimizzando dimensioni e masse in gioco.
"Il Working Model ha consentito alla Anthony-Ross di evitare un considerevole dispendio di tempo nella fase di sviluppo del progetto," ha concluso Abel. "In aggiunta, ci ha rassicurati sul fatto che quanto saremo andati a presentare sul mercato sarebbe stato quanto di meglio potevamo ideare. Se avessi dovuto fare manualmente le analisi svolte dal Working Model, non avrei potuto prendere in considerazione così tante e diverse configurazioni e forse non avrei individuato la migliore combinazione delle varie geometrie. Non posso non ribadire come il Working Model sia tanto facile da usarsi quanto utile e produttivo."
Abel è ora incaricato di sviluppare un nuovo prodotto per la Anthony-Ross. "Si tratta di un portello per il controllo automatico del flusso d'aria nella fornace," ha rivelato Abel. "Il prodotto avrà parecchi giunti, fulcri, molle di tensionamento e cilindri ad aria, insomma sarà scontato svilupparlo con il Working Model. Per giunta, le ultime versioni del Working Model, sia bidimensionale che tridimensionale, possono essere integrate in AutoCAD e Mechanical Desktop; pertanto non occorre nemmeno pił esportare le geometrie. Possiamo continuare a lavorare nello stesso ambiente CAD anche per creare le simulazioni! "
