Identificazione e modellazione di parametri dinamici per catene a maglie tonde soggette a carichi assiali

Nov 25, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16155 (2022) Citare questo articolo

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Una catena a maglie tonde soggetta a carichi dinamici assiali costituisce un sistema viscoelastico non lineare. A differenza dei classici problemi di martellamento, la catena a maglie tonde non subirà solo una deformazione elastica lineare, ma anche una deformazione plastica non lineare o da impatto. Basato sulla formulazione teorica e sugli esperimenti, in questo documento viene presentato un nuovo approccio per modellare e identificare i parametri dinamici non lineari, vale a dire la rigidezza e lo smorzamento per la catena a maglie tonde. Considerando la deformazione lineare, la deformazione non lineare e la dissipazione di energia, viene sviluppato un modello viscoelastico non lineare modificato per descrivere il comportamento vibrazionale della catena con un numero di maglie rotonde. Il modello elastico lineare e il modello impattante vengono combinati per ricavare la rigidezza non lineare equivalente, mentre gli esperimenti e il metodo di adattamento dei minimi quadrati vengono impiegati per identificare lo smorzamento non lineare secondo il modello viscoelastico non lineare modificato. Vengono studiate le influenze dei parametri chiave come la lunghezza della catena, il modulo elastico e la frequenza di carico sulla rigidità dinamica e sullo smorzamento. Viene eseguito un altro test per convalidare il modello di identificazione e vengono osservati buoni accordi.

Come componenti chiave degli argani di spedizione/sollevamento o delle macchine per la movimentazione di materiali sfusi, le catene a maglie tonde sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria navale, meccanica, mineraria e civile. Le indagini sulle caratteristiche dinamiche sono di grande importanza per il buon funzionamento delle relative attrezzature e macchine1,2,3.

Numerosi ricercatori si sono dedicati all'analisi statica e dinamica per tipi di catene a maglie rotonde. Ming et al.4 hanno derivato un'equazione per mettere in relazione l'area di contatto delle catene a maglie tonde con lo stress di contatto statico. Li et al.5 hanno calcolato la massima sollecitazione e distribuzione della pressione dell'area di contatto della catena ad anello mediante la teoria di Hertz e hanno ottenuto la massima sollecitazione dell'area di contatto della catena dentata. Bian et al.6 hanno stabilito l'equazione matematica della struttura della catena circolare, hanno dedotto due modelli di analisi statica del contatto catena-anello, hanno simulato e analizzato il processo di collisione tra catene circolari e hanno rivelato il meccanismo di frattura per fatica e la legge di propagazione delle cricche da fatica della catena circolare. Li et al.7 hanno creato un modello prototipo virtuale per la simulazione dinamica del sistema di trasmissione a catena, hanno simulato e analizzato l'avvio del carico dell'anello della catena dopo l'arresto e hanno ottenuto la legge di variazione della cinematica e la risposta del comportamento dinamico del contatto di accoppiamento. Diao et al.8 hanno condotto esperimenti di fotoelasticità e analisi agli elementi finiti (FE) sullo stress da contatto per le catene a maglie tonde. Wang et al.9 hanno utilizzato un metodo di analisi dinamica variabile nel tempo per ottenere la distribuzione dinamica della tensione della catena del trasportatore a raschiatore pesante. L'analisi agli elementi finiti è stata effettuata sul contatto tridimensionale tra le catene adiacenti del tratto rettilineo e del tratto flettente per ottenere la distribuzione tridimensionale delle tensioni della catena.

Come esaminato, poiché la catena a maglie tonde solitamente subisce un carico assiale pesante per trasportare materiale sfuso o per trasferire movimenti, viene prestata ragionevolmente maggiore attenzione alle caratteristiche dinamiche nella direzione assiale. Quando la catena rotonda è sottoposta ad eccitazioni armoniche o urticanti, si possono osservare urti, attriti e perfino deformazioni plastiche10. La catena a maglie tonde costituisce un tipico sistema viscoelastico. Gli effetti di smorzamento e la rigidezza non lineare dovrebbero essere considerati nell'analisi dinamica. Il modello Kelvin-Voight, sviluppato inizialmente per i problemi del pounding11, è ampiamente utilizzato per tenere conto della dissipazione di energia. Tuttavia, in modo abbastanza simile ai problemi del martellamento, il contatto, l’attrito e la deformazione plastica sono in realtà tutti non lineari. Pertanto, il modello lineare non può considerare totalmente i fattori non lineari per lo smorzamento e la rigidezza. Per affrontare i problemi legati ai problemi del martellamento, sono stati proposti tipi di modelli non lineari12, come il modello non lineare di Hertzdamp13 e il modello non lineare di Hunt-Crossley14. Tutti i modelli non lineari sono abbastanza efficienti e accurati in molti casi e sono anche ben utilizzati per modellare altri sistemi viscoelastici15,16,17.