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Progetto e realizzazione della gabbia di protezione in
carbonio
Un
giorno in quei di CASTELLARANO (MO) dopo un voletto di una mezzora, a causa
dell'aumentare del vento decido di atterrare, detto... fatto...
avvicinamento da manuale acc. troppo lungo; riattacco. Nuovo avvicinamento,
finale, spengo il motore et voilà sono atterrato ; mi giro alla
francese e chiudo la vela, mi rigiro per iniziare la svestizione e ... una
folata di vento mi rigonfia parzialmente la vela, fortuna che avevo ancora i
freni in mano (non li mollo mai !!! ) cerco di contrastare ma la sorpresa è
stata notevole ... la vela mi tira un paio di metri prima di riuscire ad
abbatterla di nuovo ma intanto sono finito sul ciglio di una scarpata lunga
una decina di metri ed inclinata a più di 45 gradi. Perdo l'equilibrio,
cado ... e a mo di quei serpenti del deserto, che si prendono in bocca la
coda a formare una ruota per scendere dalle dune di sabbia, rotolo per tre
quattro metri sulla gabbia (smontabile) perdendo pezzi come lo shuttle ...
;-(.
Non ho riportato nessun danno fisico tranne un graffio su una
mano che mi sono procurato nel tentativo di afferrarmi ad un arbusto, non ho
neanche scalfito l'elica !!! Diversamente è andata alla gabbia che (
scomponibile in quattro parti e realizzata in tubo di acciao inox ) si è
piegata in vari punti. Una volta rientrato alla "base" e stata
raddrizzata in modo da renderla utilizzabile ma il mio senso estetico ne è
rimasto particolarmente offeso ... ;-) Da qui l'idea di realizzarne una in
carbonio prevedendo una fase di progettazione ed una di realizzazione.
premessa :
 | la realizzazione, anche se ampiamente
documentata da foto e testo, implica necessariamente una buona
conoscenza dei materiali compositi quali fibra di vetro e/o carbonio,
kevlar, resine ecc. accompagnata da un buona "manualità "
;
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PROGETTAZIONE
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foto 1
Questo è il mio paramotore (foto1) nelle foto 2-3-4 alcune immagini
della progettazione tridimensionale che ho eseguito al cad. Non che fosse
strettamente necessario , però così facendo ci viene in
aiuto, come avrò modo di spiegare più avanti ...
Facciamo intanto due conti :
la gabbia esterna è in tubo d'acciaio inox di 16 mm di diametro esterno
(D) e 14 mm di diametro interno (d) il momento di inerzia è
dato da = D^4*PI.GRECO/64 - d^4*PI.GRECO/64 = 0,13
cm4
Il modulo di resistenza è pari al momento d'inerzia diviso la distanza
della fibra più lontana dall'asse di mezzeria, nel nostro caso D/2
sarà quindi 0,13 / D/2 = 0.17
cm3
Si chiama sigma la tensione massima ammissibile delle fibre prima di
giungere alla deformazione permanente del materiale ( o rottura ), tale
valore espresso in Kg/cm2
risulta essere per l'acciaio
inox aisi 316 = 5150 Kg/cm2
mentre per la fibra di carbonio unidirezionale ( roving) = 14000 Kg/cm2
!!! Per il tessuto, essendo a trama incrociata possiamo considerarla ridotta
di un terzo e quindi = circa 9330 Kg/cm2
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foto 2
foto 3
foto 4
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| PREMESSA : lo schema di calcolo che
segue tratta una struttura sottoposta a flessione semplice, considerando che
tale sforzo è di gran lunga superiore allo sforzo di taglio e torsione, ne
consegue che se è verificata la resistenza alla flessione lo sarà
maggiormente anche agli altri due.
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| Se ora consideriamo i pezzi superiori della gabbia che sono lunghi 100
cm e li carichiamo nel centro (sezione più sfavorevole ) con un
carico P concentrato di 17 Kg ( in modo da simulare il carico
a cui sono soggetti durante il gonfiaggio della vela ) otteniamo che Il
momento flettente è pari a 50*17= 850 kg*cm se ora dividiamo questo
valore per il modulo di resistenza otteniamo un valore che, per essere
verificato deve essere inferiore al valore della tensione max ammissibile : 850
/ 0.17 = 5107.98 < 5150 ;
possiamo quindi affermare che 17 kg sono il massimo carico che può
sopportare la struttura prima di deformarsi definitivamente ( ovviamente ho
scritto 17 poichè ad esempio con 17,5 si supera la tensione max
ammissibile... provare per credere ;-))) |
| Ripetiamo il calcolo considerando la fibra di carbonio ed aumentando il
carico P fino 31 Kg ! Otteniamo il seguente momento flettente 50*31
= 1550 kg*cm da cui 1550 / 0.17 (il modulo di
resistenza non cambia essendo uguale la sezione ) = 9314.55
< 9330 !!! Come si può notare il carbonio ha una "
certa " resistenza in più ... Da tutto ciò se ne deduce che si
potrebbe realizzare la stessa struttura diminuendo gli spessori e/o i
diametri a tutto vantaggio di un risparmio di materiale e di peso. A causa
però dell'impossibilità di avere un manufatto in fibra di carbonio con una
struttura omogenea (foto 5 ) (ricordo che costruisco con metodi hobbistici e non
con il supporto della FERRARI ;-)))) ho preferito lasciare invariate le
sezioni e gli spessori ottenendo comunque un notevole risparmio di peso a
parità e/o superiorità di robustezza. |
foto 5
Come si può notare il bordo esterno è "più o
meno" 1 mm di spessore ... |
Ecco
finalmente che ci viene in aiuto il disegno tridimensionale. Interrogando le
primitive grafiche si ottiene un volume dell'intera struttura pari a 0.33
dm3 che moltiplicato per il peso specifico dell'acciaio (7.91
Kg/dm3) fornisce un peso finale di 2.62
Kg mentre ottengo per la stessa struttura ma in fibra di
carbonio (1.9 Kg/dm3) 0.63
Kg ! A questi bisogna aggiungere il peso dei listelli di balsa che
sono da 20g per i listelli di diametro 8 mm e 50g per quelli di diametro 14
mm.. Sommati tra loro danno circa 360g ; TOTALE = 0,99 kg con un risparmio in peso di circa 1.6 Kg . Se poi si considera
che, sulla gabbia originale ci sono le saldature e che, a causa della minore
resistenza è presente una barra in più per ogni spicchio, da una verifica
alla bilancia ho ottenuto un peso complessivo di 3,5 kg, quindi rispetto
alla gabbia originale ho risparmiato ben 2,5 Kg direi che val bene la pena tentarne la
realizzazione ;-) Come si vede dalle foto 2-3-4 tutti i
montanti della gabbia e l'anello esterno ( quest' ultimo per forza ..) sono
curvi ! Per evitare di realizzare una moltitudine di dime durante la
progettazione ho realizzato l'anello esterno con un raggio di 68 cm in grado
di portare fino ad un'elica di 130 cm, e i montanti con un raggio di 88 cm ;
i vari pezzi necessiteranno soltanto dell'adeguatezza delle lunghezze. In
questo modo con due sole dime riesco ad ottenere tutti i pezzi della gabbia
. A questo punto la progettazione è finita ... per la
realizzazione vera e propria non mi resta che mandarvi alla pagina
successiva ;-) |
Questa pagina è stata aggiornata il 21/10/07
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