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Analisi modale di vibrazione di un’arma e soluzione innovativa per aumentarne la precisione
CANDIDATOMarco Cicognani
RELATOREProf. Ing. Luca Piancastelli
OBIETTIVO
Ottimizzare la precisione di una carabina per uso sportivo e ridurne la massa complessiva.
Quindi il metodo utilizzato è quello di una FEA per l’ottimizzazione strutturale vibrazionale e termica.
Fattori che influenzano la precisione
• Angolo di uscita alla bocca
• Effetto cross track velocity kick
• Effetto del rinculo
• Rigidezza della canna
• Prolunghe sintonizzatrici
Angolo di uscita alla bocca
La bocca della canna nel modo 3 ruota attorno al nodo principale,esso si trova ad una distanza dalla punta che è a circa il 10% dellalunghezza totale della canna.L’andamento della posizione della bocca nel tempo descrive unmoto armonico, esso può essere approssimato come un andamentosinusoidale.
Fattore velocity kick
La bocca della canna muovendosi, in direzione verticale, almomento dell’uscita del proiettile, imprime su di esso una velocitàtrasversale.
Rigidezza della canna
Dipende dai seguenti fattori geometrici e caratteristiche fisico meccaniche del materiale:
• Lunghezza libera
• Diametro esterno
• Massa
• Modulo elastico
Effetto del rinculo
L’effetto della forza di reazione al rinculo rappresenta la fonte più importante di generazione delle vibrazioni, comprende un ampio spettro di frequenze.Produce una deformazione sulla spalla della canna che a sua volta sposta la bocca di qualche centesimo di millimetro.
Prolunghe sintonizzatrici
Una massa regolabile, alla bocca della canna, consente diregolare le frequenze di risonanza della canna alla velocità diuscita dell’ogiva, oltre che a spostare il nodo principale versol’estremità della canna.
Analisi modale della canna standard
Tipo di cannaconica standard
L=580 mm
conica standard
L=600 mm
Estremamente
coniche
L=600 mm
Cilindrica
L=600 mm
Modo Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz]
1 91 85 71 74
2 478 443 331 460
3 1254 1161 840 1276
4 1854 1802 1581 1440
5 2374 2200 2168 2431
La lunghezza della canna è il parametro che incidemaggiormente sulla rigidezza della canna, la geometria piùperformante a parità di lunghezza è quella cilindrica.
Modo 3, 1277 Hz
1. I modi 1 e 2 si verificano sulla canna con un periodo di frequenza che èsuperiore al tempo di uscita del proiettile quindi non vengono considerati.
2. Il modo 3 a 1277 HZ si verifica sulla canna ed è il tipo di vibrazione piùsignificativo.
3. I modi 4 e 5 a 1854 Hz e 2370 Hz e modi superiori si verificano nelle nostrecanne, ma l’ampiezza tende a decrescere di un ordine di grandezza o di piùper ogni modo superiore.
4. Il modo 6 e modi di vibrazione più elevate non sono rilevanti perché i modiinferiori li mascherano.
Analisi modale comparativaazione
canna cilindrica Canna conica Canna cacciacalcio
Modo 3 3 3
Fre
qu
en
za [
Hz]
FIXED 1155,1 1276 840,13ACCIAIO
1117,8 1024,8 795,68LEGNO AACCIAIO
1142,6 1047,8 805,34LEGNO B
ALLUMINIO1144,7 1053,8 803,67
LEGNO BALLUMINIO
1142,6 1049,6 815,41LEGNO AACCIAIO
- 910,46 -CFRP A
La parte del sistema che più incide sulla rigidezza è la canna,infatti per ogni combinazione a parità di canna la frequenzaper il modo 3 oscilla all’interno di un range di 50 Hz.
Soluzione innovativa
Rivestimento in carbonio
È stata disegnata una geometria della canna in acciaio chepermette l’inserimento di cunei in CFRP.
Analisi termica
Gli inserti, che rappresentano la parte più sensibilealla temperatura, non raggiungono valori che possocompromettere le caratteristiche meccaniche.
Riduzione del peso che permette di montare una massa accordatrice rimanendo all’interno dei limiti di peso, con il conseguente risultato della riduzione degli effetti: angolo di posizione e velocity kick
conclusioni
Aumento della frequenza per il modo3, con la conseguente riduzione d’ampiezza della vibrazione.
Carabina con canna cilindrica in acciaio Carabina con canna ad inserti in carbonio Carabina con accordatore
Modo Frequenza [Hz] Frequenza [Hz] Frequenza [Hz]
1, 1008,7 585,62 1046,8
2, 1114,7 595,08 1301,5
3, 1148,6 (modo 3) 1186,4 1327,7
4, 1302,3 1431,6 1406,1
5, 1325,7 1498,6 1485,4
6,1369,6 1591,7 1501,1(modo 3)
7, - 1637,8 (modo 3)1684,