CEEX 2012CERERE DE FINANŢARE PENTRU PROIECTE DE EXCELENŢĂ PENTRU

TINERI CERCETĂTORI1. Date personale ale directorului de proiect1.1 Nume Butunoi1.2 Prenume Paul-Alin1.3 An naştere 19881.4 Titlu didactic sau ştiinţific Inginer

2. Locul de muncă2.1 Codul instituţiei: 552.2 Denumirea instituţiei: Universitatea “Vasile Alecsandri” din Bacău2.3 Facultate/departament: Inginerie/Managementul şi optimizarea

echipamentelor de proces2.4 Adresa: Calea Mărăşeşti 157, 60115, Bacău, România2.5 Telefon: +40 0234 580 1702.6 E-mail: decanat@ub.ro

3. Titlul proiectuluiUtilizarea analizei prin metoda elementului finit în vederea studiului comportării la tracţiune a aparatului de legare utilizat la materialul rulant de cale ferată

4. Termeni cheie1 Elasticitate2 Deformare3 Deplasare4 Simulare5 Tensiune

5. Încadrarea proiectului în domeniile de specialitateCod domeniu Cod subdomeniu

Expert 1 2N 124Expert 2 2A 45

6. Rezumatul proiectuluiProiectul are ca scop efectuarea unei analize statice prin metoda elementului finit asupra ansamblului aparatului de legare cu şurub şi cârlig utilizat la remorcarea materialului rulant de cale ferata aflat atat in proprietatea CFR cât şi în proprietatea operatorilor privaţi, în vederea determinării zonelor care in exploatarea normala prezintă concentratori de tensiune, in vederea identificarii componentelor cu probabilitate mare de defectare prematura Prima parte a proiectului indică o serie de date preliminare ce sunt necesare în etapa preprocesării (prezentarea componentelor ansamblului, modul de asamblare, materialul din care sunt constituite si modul de aplicare al conditiilor-limită). Analiza propriu-zisă este efectuată sub mai multe cazuri de încărcare la tracţiune, în final fiind prezentate datele de ieşire sub formă grafică. Pe baza valorilor maxime obtinute experimental s-a trasat dependenţa lor în raport cu forta de tractiune aplicată la extremitatea aparatului de legare.

1

7. Calitatea ştiinţifică a proiectului

7.1 Importanţa şi relevanţa conţinutului ştiinţificImportanta alegerii continutului stiintific este data de gradul de utilizare pe scară largă ce prezintă tipul de aparat de legare cu şurub şi cârlig de tracţiune, fiind standardizat în majoritatea ţărilor europene, în principal datorită construcţiei sale simple, şi a principiului de funcţionare uşor de înţeles. Se poate afirma deci faptul că datorită unei standardizări la nivel ridicat, este posibil un grad de interschimbabilitate corespunzător al reperelor, ducând la reduceri semnificative ale costurilor de producţie şi întreţinere.

7.2 Metodologia cercetării

7.2.1 Scopul lucrării

Lucrarea îşi propune simularea cu ajutorul aplicaţiei de analiză cu element finit FEMAP versiunea 9.3 a comportării la tracţiune a aparatului de legare cu şurub şi cârlig utilizat la cuplarea materialului rulant atât din parcul operatorului CFR cât şi din parcul operatorilor privaţi, în vederea observării repartiţiei tensiunilor şi deplasărilor. Pe această cale se încearcă a se determina sarcina maximă de tracţiune suportată de către aparatul de legare. Pentru a realiza modelarea ansamblului pe calculator respectând cotele reale s-a apelat la standardele STAS 2026-88 şi STAS 2027-85 în vigoare la momentul redactării lucrării.

Figura 1. Vedere generală asupra aparatului de legare în stare decuplată şi detaliul cârligului de tracţiune

7.2.2 Obiectivele propuse în cadrul cercetării Studiul literaturii de specialitate, necesară elaborării temei de cercetare. Identificarea pe teren a componentelor aparatului de legare şi a întregului ansamblu al

acestuia în stare funcţională pentru formarea unei idei de ansamblu cu privire la solicitările la care acesta este supus.

Crearea ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare folosind tehnici de proiectare asistată de calculator

Simularea comportării ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare la solicitările la care acesta este supus în realitate. Identificarea reperelor ce prezintă concentratori măriţi de tensiuni.

Elaborarea unui stand de încercare la tracţiune a aparatului de legare, realizarea unor încercări fizice la tracţiune şi compararea rezultatelor obţinute cu rezultatele obţinute în urma analizei numerice.

2

7.2.3 Identificarea componentelor aparatului de legare. Descrierea rolului funcţional pentru fiecare componentăAnsamblul aparatului de legare se compune din axul filetat (Figura 2, a) prevăzut cu filet rotund tipul Rd 50, standardizat conform cu STAS 610-74 pe care este presat la cald un manşon cu ureche (b), pe care este prins mânerul de acţionare (c), care în mod normal se reazemă în şaiba cu cioc (d). La ambele sectoare filetate ale axului filetat sunt prevăzute piuliţa laţului (e) şi respectiv piuliţa ecliselor (f) pe care sunt fixate eclisele (g) acestea formând un ansamblu solidar pe corpul cârligului de tracţiune (h). Poziţia funcţională a aparatului de legare se materializează prin ataşarea laţului (i) pe cârligul de tracţiune din extremitatea opusă. Pentru analiza de faţă s-a utilizat un cârlig de tracţiune tipul L-2 (standardizat conform STAS 2026-88), care, conform indicaţiilor aceluiaşi standard se utilizează în construcţia locomotivelor diesel-electrice. În Figura 3 este reprezentat întreg ansamblu al aparatului de legare.

a) b) c) d)

e) f) g) h) i)Figura 2. Componentele ansamblului aparatului de legare

Pentru realizarea analizei, spre a nu complica inutil modelul de analiză, şi deci de a nu influenţa rezultatele analizei, s-au înlăturat piesele ce nu participă efectiv la asigurarea tracţiunii materialului rulant, şi anume reperul “Şaibă cu cioc”, reperul “Mâner” şi reperul “Manşon cu ureche”, aşa cum s-a reprezentat în Figura 4.

Figura 3. Vedere de sus asupra ansamblului aparatului de legare, reprezentat în starea normală de funcţionare.

Figura 4. Vedere asupra pieselor funcţionale din componenţa aparatului de legare (reprezentare simplificată a ansamblului)

3

7.2.4 Importarea ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare în aplicaţia FEMAP.

În cadrul etapei de importare a geometriei modelului, este suficient să se indice doar fişierul corespunzător ansamblului (având extensia .asm), întrucât piesele componente vor fi importate în mod automat, pe baza unor referinţe externe (external references).

Figura 5. Geometria ansamblului importată în aplicaţia Femap

Amplasarea geometriei în vedere izometrică, aşa cum este redată în Figura 5, s-a realizat pentru a se observa direcţia care corespunde solicitării la tracţiune. Se observă faptul că solicitarea la tracţiune acţionează în sensul pozitiv al axei OX.La elaborarea modelelor tridimensionale ale reperelor, s-a utilizat ca unitate de măsură milimetrul. Fiind cunoscut faptul că pentru a obţine rezultate valide în urma analizei este absolut necesară păstrarea unui sistem consistent de unităţi de măsură pe tot parcursul analizei, cel mai potrivit sistem de unităţi de măsură este dat de sistemul SI modificat pentru dimensiuni mici, prezentat conform Tabelului 1:

Tabelul 1. Sistemul de unităţi SI pentru dimensiuni miciMărimea Masă Lungime Timp Forţă Tensiune Energie

Unitatea de măsură

kg mm sec N MPa J

7.2.5 Definirea conexiunilor existente între elementele ansambluluiÎntrucât pe parcursul aplicaţiei se are de-a face cu elemente solide în mişcare, pentru validitatea analizei, se impune crearea unor contacte între componentele ansamblului. Pentru realizarea conexiunilor între elemente. Apoi este necesară precizarea distanţei minime (a toleranţei până la care se consideră contact între elementele din componenţa ansamblului) conform Figurii 6

4

Figura 6. Definirea conexiunilor între componentele ansamblului7.2.5 Definirea proprietăţilor materialului în aplicaţia FEMAPConform datelor prezentate în standardul STAS 2027-85, pagina 8, piesele ce participă efectiv la tracţiune, şi anume laţul, piuliţa laţului, eclisele, piuliţa ecliselor, şi bolţul aparatului de legare se execută din oţel carbon de calitate OLC 55 X, fiind un oţel ce are conţinutul de carbon aproximativ egal cu 0,55%, cu proprietăţile fizico-mecanice prezentate în Tabelul 2. La definirea proprietăţilor materialului în mod obligatoriu se va ţine seama de sistemul de unităţi de măsură stabilit.

Tabelul 2. Proprietăţile mărcii de oţel OLC55XModulul de elasticitate

E[MPa]

Rezistenţa la tracţiune minimă

Remin[MPa]

Rezistenţa la rupere

Rm[MPa]

Alungirea minimă Amin[%]

Densitate[kg x mm-

3]2.1 x 105 420 700-850 40 7.833x10-6

Pentru analiza structurală prin metoda elementului finit prezintă importanţă doar definirea modulului de elasticitate E, a densităţii şi a coeficientului lui Poisson (Figura 7). Aşa cum se poate observa, materialul este de tipul izotrop, având deformaţii identice pe cele trei axe principale

Figura 7. Proprietăţile materialului definite în aplicaţia FEMAP

5

7.2.6 Definirea tipului de element de analiză în aplicaţia FEMAP. Discretizarea modelului tridimensionalÎntrucât proiectul prevede necesară luarea în calcul a condiţiilor de tensiune 3D, şi datorită faptului că modelul însuşi este tridimensional, rezultă deci faptul că elementul de analiză cel mai potrivit, va fi unul de tip solid (Figura 8).

Figura 8. Atribuirea tipului de element de analiză tip solid

Odată definit tipul de element de analiză ca fiind cel de tip solid, se poate trece în continuare la etapa discretizării, transpunând astfel proprietăţile definite anterior, modelului propriu-zis. Discretizarea s-a realizat cu elemente tip tetraedru, aşa cum se observă în Figura 9, folosind o mărime a discretizării de 7 mm.

Figura 9. Vedere din laterală şi de sus a ansamblului discretizat

7.2.7 Aplicarea condiţiilor-limită (a forţei de lucru şi a modului de rezemare)Pentru cazul de faţă, forţa de lucru va fi aplicată paralel cu direcţia OX în sensul pozitiv al axei, astfel încât să fie reprodusă solicitarea aparatului de legare la tracţiune, şi nu la compresiune.Analiza structurală a aparatului de legare va fi realizată pe rând, sub acţiunea unei forţe de tracţiune având valori de: 1,2kN; 4,8 kN; 9,6kN; 12kN; 40 kN; 80 kN şi 314 kN .Cu toate că valorile au fost exprimate în kN, pentru păstrarea sistemului de unităţi de măsură stabilit în Tabelul 1, acestea vor fi introduse în N. Punctul de aplicaţie al forţei este dat de alezajul cârligului de tracţiune corespunzător ecliselor conform Figurii 10 (acesta în realitate acesta este montat pe locomotivă).

6

Figura 10. Definirea încărcării în aplicaţia Femap (componenta forţei după direcţia OX)

În ceea ce priveşte definirea modului de rezemare, acesta este dat de încastrarea suprafeţei superioare şi inferioare a cârligului de tracţiune care corespunde laţului (Figura 11). În Figura 12 se prezintă aspectul final al condiţiilor-limită definite.

Figura 11. Stabilirea tipului constrângerii „Fixed” şi indicarea suprafeţelor ce trebuiesc constrânse

Figura 12. Rezultatul definirii condiţiilor limită (vedere de sus)

7.2.8 Prezentarea rezultatelor obţinute în urma analizei structurale. Discuţii pe baza rezultatelor obţinute.Analiza structurală a fost efectuată pentru toate cazurile de încărcare prezentate în cadrul paragrafului 7.2.7 obţinându-se pentru fiecare caz de încărcare câmpul de tensiuni folosind criteriul Von Mises şi câmpul deplasărilor. Rezultatele sunt prezentate în Figurile 13-20

7

Figura 13. Câmpurile de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=1,2kN

Figura 14. Câmpul tensiunilor şi deplasărilor pentru cazul de încărcare F=4,8 kN

8

Figura 15. Câmpuri de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=9,6 kN

Figura 16. Câmpul de tensiuni Von Mises şi deplasări pentru cazul de încărcare F=9,6kN (vedere din lateral)

9

Figura 17. Câmpurile de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=12 kN

Figura 18. Câmpurile de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=40 kN

10

Figura 19. Câmpul de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=80 kN

Figura 20. Câmpul de tensiuni şi deplasări pentru cazul de încărcare F=314 kN

11

Pe baza rezultatelor obţinute în urma analizei, prezentate sub formă grafică în Figurile 13-20 se observă zona cea mai solicitată, din punct de vedere al distribuţiei tensiunilor după criteriul Von Mises, a întregului ansamblu ca fiind aria de contact existentă între laţ şi cârligul de tracţiune corespunzător acestuia. Următoarea zonă de contact solicitată, din perspectiva câmpurilor de deplasări este dată de aria de contact dintre laţ şi piuliţa laţului, astfel că odată cu solicitarea principală la tracţiune, apare şi o solicitare secundară la încovoiere a bolţurilor ansamblului. Analiza Figurii 20 reflectă faptul că atât tensiunile cât şi deplasările calculate, încep să prezinte valori semnificative începând de la cazul de încărcare F=314 kN.Astfel se poate spune că valoarea F=314 kN reprezintă un prag critic de încărcare. Din acest motiv în practică toate componentele aparatului de legare se execută prin forjare şi matriţare, fiind un procedeu ce asigură o rezistenţă mărită la solicitări a pieselor componente, comparativ cu prelucrarea prin aşchiere, care aceasta din urmă poate introduce concentratori de tensiuni. Pe baza rezultatelor obţinute grafic în Figurile 13-20 se pot trasa două dependenţe liniare prima fiind între tensiunile maxime Von Mises şi forţa iniţială aplicată ansamblului, iar a doua dependenţă fiind între deplasările maxime şi forţa aplicată iniţial, aşa cum se poate observa în Figura 21

Figura 21. Variaţia tensiunii maxime şi a deplasării maxime obţinute experimental în raport cu forţa de tracţiune aplicată

Conform Figurii 21 cele două grafice se pot aproxima în cea mai bună măsură prin intermediul unei funcţii de regresie liniară, aşa cum se poate deduce şi conform valorii parametrului regresiei R2 acestea reprezentând relaţii matematice de legătură între valorile forţei de tracţiune aplicate, şi valorile tensiunilor şi deplasărilor obţinute.

7.3 Gradul de originalitate şi inovare al lucrăriiGradul de originalitate şi inovare al proiectului este unul ridicat întrucât pe parcursul efectuării cercetării au fost utilizate metode de calcul optimal şi proiectare, respectiv de investigaţie ştiinţifică şi experimentală dintre cele mai evoluate. Printre acestea se numără şi utilizarea de soluţii software SIEMENS, considerat lider pe piaţă în ceea ce priveşte soluţiile software CAD şi CAE. Aplicarea practică a rezultatelor ce au fost obţinute în urma acestor determinări experimentale o constituie posibilitatea proiectării şi calibrării unui stand fizic de încercare la tracţiune a aparatului de legare, respectând condiţiile de încărcare din realitate. Cunoscând deci valoarea forţei de tracţiune aplicată, există posibilitatea măsurării valorilor pentru deplasare (săgeată) şi tensiune. Un exemplu în acest sens poate fi dat de traductori de tipul mărcilor tensiometrice, citirea valorilor făcându-se pe un tensiometru electronic.

12

8. Planul de organizare a proiectului (managementul proiectului)8.1 Planul de lucru. Obiective şi activităţi

An Obiective Activităţi Valoare solicitată pe activitate [RON]

2012

Studiul literaturii de specialitate, necesară elaborării temei de cercetare

Achiziţionare standard STAS 2026-88 27.76

Achiziţionare standard STAS 2027-85 35.44

Studiu tehnic preliminar 50000

Identificarea pe teren a componentelor aparatului de legare şi a întregului

ansamblu al acestuia în stare funcţională pentru formarea unei idei cu privire la

solicitările la care acesta este supus

Fotografierea ansamblului aparatului

de legare în stare funcţională. Precizarea materialului rulant la care a fost identificat.

2000

Crearea ansamblului virtual corespunzător aparatului de legare

folosind tehnici de proiectare asistată de calculator

Achiziţionare licenţă academică SolidEdge

V2020000

Modelarea reperelor din componenţa

aparatului de legare, respectând cotele din

standarde

4000

Etapa verificării asamblabilităţii

reperelor create virtual, şi corectării eventualelor discrepanţe

2500

2013

Simularea comportării ansamblului virtual corespunzător aparatului de

legare la solicitările la care acesta este supus în realitate. Identificarea reperelor

ce prezintă concentratori măriţi de tensiuni.

Achiziţionare licenţă FEMAP V. 9.3

împreună cu solver-ul NX Nastran V 5.0

25000

Iniţierea tuturor etapelor necesare în

etapa de analiză numerică a modelului. Obţinerea rezultatelor

de ieşire

15000

Proiectarea fizică a standului de încercare a aparatului de legare având posibilitatea de a măsura tensiunile şi deplasările obţinute. Materializarea

practică a rezultatelor

Conceperea prototipului virtual al standului de încercare

25000

Achiziţionarea unui aparat de legare în stare

asamblată1200

Încercarea la tracţiune a aparatului de legare 3000

Consemnarea rezultatelor obţinute. Corelarea rezultatelor

cu cele obţinute în urma analizei numerice

1000

13

8.2 Fezabilitatea proiectuluiAprecierea fezabilităţii proiectului are la bază evaluarea riscurilor de ordin tehnologic şi tehnic, de ordin economic şi din punct de vedere a încadrării proiectului în termene strict stabilite. O analiză preliminară a acestor riscuri relevă pe de o parte că ele sunt de mărime redusă sau medie, iar gradul de stăpânire a evoluţiei lucrării este suficient de mare. Astfel încă din primele faze ale lucrării vor fi avute în vedere identificarea cât mai corectă a condiţiilor tehnice legate de produs. De asemenea gradul de integrare între partenerii implicaţi este unul ridicat, fiecare membru aducând contribuţii în cadrul lucrării conform planului de realizare.

8.3 Planul de diseminare al rezultatelorRezultatele ce se efectuează în cadrul acestor cercetări urmează a se disemina pe scară largă tuturor producătorilor de material rulant (Electroputere Craiova, FAUR S.A Bucureşti, Astra Vagoane Arad, etc) precum şi intreprinderilor de reparaţii locomotive şi material rulant de cale ferată (Remarul 16 Februarie, IRLU, etc.) şi a depourilor de locomotive (ex. Depoul Bucureşti Călători, Depoul Bacău, Depoul Suceava Nord, etc.)

9. Competenţa ştiinţifică şi managerială a directorului de proiect9.1 Competenţa ştiinţifică a managerului de proiect. Activitatea ştiinţifică în ultimii cinci ani9.1.1 Domenii de competenţă şi rezultate semnificative, atât rezultate teoretice cât şi rezultate practice în domeniul abordatTehnologia construcţiilor de maşini – contribuţii teoretice şi practice la proiectarea şi simularea comportării schemei hidraulice corespunzătoare unui variator hidrostatic de turaţie în circuit deschis, cu ajutorul aplicaţiei Automation Studio v. 5.09.1.2 Lucrări ştiinţifice publicate9.1.2.1 Articole publicate în reviste cotate ISI„Using the finite element method for the purpose of studying the bending process for sheet metal samples”10. Competenţa ştiinţifică a membrilor echipei de cercetare10.1 Numărul membrilor echipei de cercetare (exclusiv directorul de proiect) 2

10.2 Lista membrilor echipei de cercetare Ing. Pruncu Vasilică – AlinIng. Vulpe Mihai

10.3 Experienţa anterioară a membrilor echipei de cercetare. Teme propuse. Contribuţii şi finalizare

Ing. Pruncu Vasilică-Alin - „Studiul experimental al deformării epruvetelor din titan”Ing. Vulpe Mihai - „Studiul experimental utilizând metode numerice de analiză al deformării îmbinărilor sudate”

11. Infrastructura de cercetareInfrastructura de tehnică de calcul dată de aplicaţii software CAD (Computer Aided Design, în cadrul proiectul de faţă s-a utilizat în acest scop aplicaţia Solid Edge versiunea 20) şi aplicaţii software de tip CAE (Computer Aided Engineering, în acest scop fiind utilizată aplicaţia CAE de analiză prin metoda elementului finit FEMAP. Echipamentele propriu-zise sunt reprezentate de: aparatul de legare achiziţionat, ce va fi încercat pe standul proiectat şi echipat cu mărci tensiometrice, acesta din urmă fiind utilizat în determinările practice ale tensiunilor şi deplasărilor, valorile citite fiind pe ecranul unui tensiometru electronic, şi compararea setului de rezultate obţinut, cu setul obţinut în urma analizei numerice.

14

12. Bugetul proiectului (cheltuieli eligibile)

Nr. Crt. Denumire capitol bugetValoare 2012

[RON]Valoare 2013

[RON]1. Cheltuieli de personal max. 40% 31425.28 280802. Cheltuieli indirecte (regie) – maxim 10% 7856.32 7020

3.

Mobilităţi – maxim 20% (se asigură mobilitatea autorilor-membri în echipa de cercetare la

conferinţele internaţionale de prestigiu pentru susţinerea lucrărilor precum şi mobilitatea inter şi

intrasectorială în ţară sau străinătate (maxim o lună în ţară şi maxim două săptămâni în

străinătate)

15712.64 14040

4.Cheltuieli de logistică necesare pentru derularea

proiectului - minim 30% (infrastructură de cercetare, cheltuieli materiale etc.)

23568.6 21060

5. TOTAL 78563.2 70200

13. Directorul de proiect are activitatea profesională de bază în instituţia care propune proiectul:

INGINERPRIN ACEASTA SE CERTIFICĂ LEGALITATEA ŞI CORECTITUDINEA DATELOR

CUPRINSE ÎN ACEASTĂ CERERE DE FINANŢARE

Codul instituţiei: (codul trebuie să fie identic cu cel de la punctul 2.1)

DATA:12.01.2012

RECTOR/DIRECTOR, DIRECTOR EC./CONTABIL ŞEFNume, prenume: Nume, prenume:Semnătură: Semnătură:

DIRECTOR DE PROIECT,Nume, prenume:

Semnătura:

15

55

LISTA DE VERIFICARE

Directorul de proiect are norma de bază în instituţia care propune proiectul, cel puţin

pentru perioada de derulare a proiectului;

Directorul proiectului are vârsta de maxim 35 ani;

Directorul de program este doctor în ştiinţe;

Instituţia din care face parte programul este eligibilă;

S-a verificat ca proiectul să aibă o durată de 2 ani;

Programul a fost încadrat corect în Domeniile şi Subdomeniile corespunzătoare;

Au fost completate toate Anexele solicitate;

Bugetul a fost completat în „RON”<

Cererea de finanţare este semnată de către persoanele autorizate din instituţia

organizatoare.

16