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L'Analisi in Loco dei Dati di Prova Aiuta ad Introdurre Più Rapidamente sul Mercato i Giunti Flessibili per i Sistemi di Scarico dei Gas e Riduce i Rischi di Progettazione

La BOA è specializzata nell'ingegneria e produzione di giunti flessibili (flex-joint) per i sistemi di emissione dei gas di scarico che disaccoppiano il movimento del motore dalla struttura di scarico. I giunti flessibili devono essere personalizzati per ogni applicazione, in modo da bilanciare la loro compensazione statica ed il movimento dinamico, garantendo la soddisfazione dei requisiti di vita per ogni automobile, veicolo commerciale ed applicazione fuori strada. I dati necessari per il processo di progettazione personalizzato sono rilevati durante l'acquisizione dati dei carichi su strada (RLDA) sul terreno di prova. In passato erano necessarie numerose fasi per analizzare i dati e si doveva gestire ogni singola fase di questa complessa procedura utilizzando diversi software, il che rallentava il processo decisionale.

BOA ha razionalizzato il suo processo di ingegnerizzazione implementando nCode GlyphWorks. GlyphWorks automatizza la maggioranza dei processi di analisi dei dati di prova ed elimina la necessità di convertire i formati dei file, riducendo così la possibilità di dover rieffettuare le analisi a causa degli errori d'ingresso. Con alcune delle analisi dati ora effettuate sul posto subito dopo lo RLDA, si possono prendere al volo decisioni ingegneristiche preliminari e lo RLDA può essere concluso con la fiducia che dopo non dovranno più essere  rilevati dei dati addizionali.

Il BOA Group è un leader mondiale nello sviluppo di sistemi e nella fornitura di tecnologia degli elementi flessibili, soffietti, tubi e sistemi di disaccoppiamento. I suoi clienti comprendono pressoché tutti i costruttori europei, nordamericani e molti produttori asiatici di automobili e di veicoli commerciali. La BOA è stata pioniera nella progettazione di soffietti multipiega che assorbono la dilatazione termica e le vibrazioni dei sistemi di tubazione dei motori e dei compressori. I soffietti multipiega sono realizzati da tubi laminati costituiti da sottili strati di acciaio inossidabile ripiegati. Questo corpo tubolare viene corrugato mediante un processo di idroformatura che garantisce tolleranze molto strette. L'impiego di materiale molto sottile combinato con un gran numero di corrugazioni per unità di lunghezza riduce le forze di deflessione ed aumenta la flessibilità dei soffietti. 

Importanza delle prove fisiche

Configurazione dell'Acquisizione Movimento Reale (RMA) quale ingresso al GlyphWorks per la validazione in loco dei dati
File pilota Simulatore Movimento Reale (RMS) per processo di ottimizzazione e generazione usando GlyphWorks

La BOA crea soffietti metallici personalizzati per soddisfare i requisiti specifici di applicazioni per sistemi di scarico di autoveicoli su strada e fuori strada, su motori ed intercooler. La società utilizza software di analisi ad elementi finiti per simulare la capacità della struttura del soffietto proposto di disaccoppiare il movimento del motore dal resto del sistema. Indi, la BOA costruisce un prototipo con la struttura proposta che il cliente installa su un veicolo da esaminare sul terreno di prova, rilevando i dati con accelerometri, estensimetri e sensori di spostamento.

Per la BOA, lo scopo principale delle prove fisiche è il convalidare il compromesso critico fra l'offset statico della produzione / assemblaggio ed il campo dinamico. I giunti flessibili di scarico possiedono una certa entità di flessibilità, o campo dinamico, necessaria per compensare il movimento del motore col sistema di scarico dei gas. Tuttavia, la variazione iniziale di allineamento fra il motore ed il sistema di scarico, detta offset statico, preleva una certa quantità del campo dinamico. Sono necessarie le prove fisiche per determinare il campo dinamico richiesto dallo sviluppo operativo del veicolo per garantire che esso risieda nel campo dinamico di flessibilità del tubo.

Vengono eseguite anche le prove fisiche per determinare la vita alla fatica del giunto flessibile su un particolare veicolo. La vita richiesta dei giunti flessibili può essere di 150 000 miglia (ca. 277 000 km), ma raramente si ha il tempo di far percorrere al prototipo quest'intera distanza. In ogni caso, la vita del giunto flessibile non è determinata dal numero di miglia percorso dal veicolo, bensì dal numero e dall'ampiezza dei numerosi forti urti che esso riceve, come quando il veicolo passa sopra una buca. L'entità del danno prodotto da questi eventi viene stimato conducendo un prototipo col giunto flessibile installato su percorsi con buche, pavimentazione belga, od altri pericoli progettati per generare forti carichi sul giunto flessibile. Le sollecitazioni di ogni evento vengono registrati dai sensori.

Gli eventi dannosi sono convertiti in sollecitazioni e deformazioni. Il veicolo OEM determina un ciclo di lavoro che definisce quanti di questi eventi dannosi si deve aspettare il veicolo durante la sua vita di garanzia. I dati di prova vengono compressi ed accelerati per generare un profilo di danno che corrisponda al ciclo di lavoro dell'OEM e che viene usato come ingresso per l'analisi alla fatica che predice la vita del giunto flessibile. 

Precedente processo di analisi dei dati di prova

Analisi della flessione basata sul carico usando i glifi scripting di GlyphWorks

La BOA ha precedentemente utilizzato numerosi e diversi pacchetti di software sia sviluppati internamente che commerciali per analizzare i dati di prova. Ogni volta che si procedeva da un pacchetto di software all'altro gli ingegneri dovevano passare da un processo di conversione dei dati. Questi dati di prova erano generalmente elaborati in Microsoft Excel. Per convertire i dati di prova in sollecitazioni e deformazioni si usavano routine di MATLAB. Lo sviluppo del ciclo di lavoro combinando più eventi dai dati di prova su strada era un tedioso processo manuale. Poi essi venivano convertiti nel formato proprietario usato dal pacchetto di software di analisi della fatica. La conversione dei dati ed i processi manuali causavano ritardi nell'analisi, per cui era necessario un considerevole periodo di tempo per determinare se lo RLDA aveva o non aveva rilevato tutti i dati necessari. Al tempo, tutto il personale coinvolto sul terreno di prova era solitamente già tornato nei propri uffici e spesso occupato in altri progetti, causando così ulteriori ritardi. 

“In passato, svolgevamo i compiti con software molto più laborioso e manuale ed avevamo difficoltà nel gestire i dati di prova,” afferma Srinivas Gade, Product Development, Advanced Engineering della BOA. “Inoltre, strumenti quali Excel e MATLAB richiedono un considerevole impegno per farli operare adeguatamente.”

Passaggio ad un nuovo strumento per l'analisi dei dati di prova

Analisi a fatica FE del soffietto in nCode DesignLife usando il ciclo operativo definito dal cliente

La BOA scelse nCode per razionalizzare l'analisi dei propri dati di prova ingegneristici grazie alla sua capacità di gestire il processo completo all'interno di un solo ambiente ed alla sua vasta gamma di strumenti specializzati sia per l'analisi dei dati di prova che di quella per la fatica FE. Pertanto la BOA è passata dal suo precedente software di analisi della fatica ad nCode DesignLife integrato con GlyphWorks, per consentire l'analisi dei dati di prova e della fatica CAE in un solo ambiente. La BOA è ora in grado di prevedere con precisione le località dei guasti utilizzando le funzioni di  DesignLife quali il rilevamento del punto caldo (hot spot) in 3D, la distribuzione delle sollecitazioni in 3D, e l'analisi con estensimetri virtuali.

"GlyphWorks è stato progettato da zero per i dati di prova in modo da adattarsi perfettamente al suo compito,” afferma Gade.

Ora la BOA esegue il suo processo analitico completamente all'interno di  GlyphWorks. Gli ingegneri della BOA hanno creato il flusso di lavoro dell'analisi semplicemente trascinando e rilasciando (drag & drop) i blocchi strutturali di analisi. Questo approccio elimina la necessità di convertire i dati in differenti formati e rende possibile la parziale automazione del processo di analisi dei propri dati di prova. La società ha sviluppato degli script personalizzati che usano gli algoritmi proprietari per convertire lo RLDA nelle curve di vita alla sollecitazione e vita alla deformazione per l'analisi della fatica.

Gli ingegneri della BOA usano GlyphWorks anche per effettuare la post-elaborazione dei dati grezzi dei sensori con 6 gradi di libertà (DOF) relativi ai dati di movimento del tubo flessibile dello scarico, utilizzando complessi algoritmi matematici. I dati vengono automaticamente convertiti in rapporti che erano stati definiti dagli ingegneri della BOA per accelerare il processo decisionale di progettazione. I rapporti rendono facile il determinare se il progetto originale del tubo flessibile abbia o non abbia il sufficiente campo dinamico per adattarsi al movimento relativo del veicolo.

Ottimizzazione del progetto

GlyphWorks consente la visualizzazione della risposta in frequenza dei soffietti usando i moduli frequenza

Gli ingegneri della BOA sfruttano la capacità di GlyphWorks di utilizzare i dati di prova per condurre esperimenti di progettazione, al fine di valutare la vita alla fatica in funzione dei parametri di progettazione quali il diametro del tubo flessibile. Questo approccio è effettuato con DesignLife e può essere usato per migliorare il progetto esistente senza dover eseguire ulteriori RLDA. Gli ingegneri della hanno anche scritto dei codici script per valutare la fabbricabilità di ogni potenziale combinazione del progetto, cosicché solo i progetti che possono essere effettivamente costruiti vengono presi in considerazione. 

Sono inoltre stati sviluppati dei processi personalizzati in GlyphWorks per generare file pilota accelerati per una simulazione a 6 DOF, usati per verificare una parte senza doverla installare sul veicolo prototipo e farlo girare sul terreno di prova. Tale approccio può essere utilizzato dopo l'esecuzione dello RLDA sul veicolo, per valutare varianti di progettazione del tubo flessibile senza dover rieseguire lo RLDA.

L'acquisizione dati ad alta frequenza è condotta anche posizionando un microfono all'interno della cabina passeggeri, in modo da valutare l'influenza del giunto flessibile sul rumore / vibrazioni / ruvidità (NVH). La BOA utilizza GlyphWorks per elaborare i dati ed eseguire analisi di ordine che coinvolgono gli opportuni segnali dell'accelerometro per la velocità del motore e rendono molto più facile l'interpretazione di tutti i dati.

"I miglioramenti osservati utilizzando nCode GlyphWorks e DesignLife rendono possibile l'elaborazione completa del processo e la più efficiente analisi dei dati," afferma Gade. "Il risultato è che l'analisi post-RLDA può essere completata in tempo reale durante la conduzione della sperimentazione sul terreno di prova. Gli ingegneri presenti sul terreno di prova possono studiare i dati di prova ed i risultati dell'analisi alla fatica, prendendo al volo le opportune decisioni. Se i dati indicano un problema di progettazione, si può rapidamente realizzare e provare un nuovo progetto, evitando di effettuare successivamente un altro giro di prove. La capacità di valutare le opzioni del progetto e, se necessario variarlo nei primi stadi del processo di progettazione, aumenta la fiducia, riduce il rischio ed aiuta la più rapida introduzione sul mercato."

Il Gruppo BOA

La American BOA, costituita nel 1956, è un membro della Stutensee del BOA Group basato in Germania ed operativo in tutto il mondo. Organizzata in 3 divisioni operative: Automobilistica, Industriale ed Aerospaziale, la BOA offre un'ampia gamma di soluzioni flessibili di metallo per i sistemi di tubazioni che convogliano gas o fluidi in condizioni severe di pressione e temperatura. Con oltre 100 anni di esperienza e 20 società controllate o partecipazioni importanti in tutto il mondo, la BOA è diventata uno dei gruppi leader della tecnologia di questa particolare industria.

I centri di ingegneria automobilistica della BOA in Germania e negli Stati Uniti sviluppano giunti flessibili e giunti di espansione personalizzati per i sistemi di scarico, EGR e linee di ritorno per l'olio dei motori e mini-soffietti per sistemi di iniezione carburante ad alta pressione, che compensano i movimenti, la dilatazione termica e disaccoppiano le vibrazioni in modo altamente affidabile. www.boagroup.com

Il Cliente

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