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La simulazione risolve il mistero di un incidente in ascensore

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Figura 1: (lr) un modello CAD della geometria del freno; configurazione del modello di usura delle guarnizioni dei freni che mostra il tamburo del freno, i bracci e i perni; forze opposte della molla e del solenoide; e il contatto tra le pastiglie dei freni e il tamburo

La simulazione multifisica viene utilizzata per indagare e determinare come un freno di un ascensore si è guastato prematuramente.

dal Dr. Stuart Brown, dal Dr. Nagi Elabbasi e dal Dr. Matthew Hancock

Nel 2007, un ascensore ha iniziato a salire mentre i passeggeri uscivano, intrappolando e ferendo un occupante. Un freno a tamburo destinato a tenere fermo l'ascensore si è guastato, causando il movimento imprevisto. Indagini successive hanno rivelato che un solenoide responsabile dell'apertura e della chiusura del freno si era deteriorato, causando il trascinamento delle guarnizioni dei freni sul tamburo e l'usura prematura. Quando il solenoide non era innestato, le normali ganasce del freno avrebbero spinto contro il tamburo, impedendo il movimento dell'elevatore. L'eccessiva usura delle ganasce ha causato la mancata tenuta del freno, causando l'incidente. La figura 1 mostra un modello CAD (computer-aided design) del freno, in cui i suoi bracci sono imperniati nella parte inferiore e caricati a molla per mantenere il contatto con il tamburo.

Sono state presentate accuse penali contro le società di manutenzione degli ascensori, sostenendo che negli anni precedenti c'erano prove che il solenoide si stava deteriorando e che avrebbero dovuto essere eseguite le riparazioni. La domanda non era se il solenoide si fosse guastato, ma, piuttosto, come si era guastato e con quale velocità?

Se il fallimento fosse stato rapido, sarebbe stato improbabile che l'incidente potesse essere previsto. Tuttavia, se il guasto avesse comportato un lento deterioramento, forse l'incidente avrebbe potuto essere evitato. Sono state suggerite molte possibili teorie del fallimento. Veryst Engineering è stata incaricata di indagare sulla validità delle diverse teorie del fallimento e la simulazione ha svolto un ruolo fondamentale nella nostra indagine.

Analisi del guasto del solenoide

Dopo l'incidente, gli investigatori hanno scoperto che il solenoide aveva circa la metà della resistenza elettrica di un solenoide non danneggiato e, quindi, generava meno forza rispetto a un solenoide non danneggiato. Diverse teorie sono state proposte per spiegare come si sia potuto verificare questo fallimento.

Una teoria per un guasto lento era che l'espansione e la contrazione termica all'interno del solenoide a causa del riscaldamento resistivo producevano elevate sollecitazioni che portavano a una lenta e progressiva rottura dei fili all'interno della bobina del solenoide. Le crepe ridurrebbero la forza elettromotrice del solenoide (EMF), portando così al trascinamento della ganascia del freno. Per testare questa teoria, abbiamo utilizzato il software COMSOL Multiphysics® per produrre un'analisi delle sollecitazioni termomeccaniche accoppiate del solenoide. Il modello ha dimostrato che le sollecitazioni non erano sufficientemente grandi da produrre fessurazioni, dimostrando quindi che l'espansione e la contrazione dovute al riscaldamento resistivo non erano la causa della rottura.

Una seconda teoria per un guasto lento era che l'EMF stesso generasse elevate sollecitazioni nella bobina, causandone il guasto per un lungo periodo di tempo. Abbiamo testato questo eseguendo un'analisi elettromeccanica accoppiata (Figura 2). Il software di simulazione è stato utilizzato per calcolare la forza di Lorentz all'interno della bobina del solenoide, dimostrando che la forza in tutta la bobina era praticamente trascurabile.

Al contrario, una teoria per il guasto rapido del solenoide prevedeva che il riscaldamento localizzato all'interno del solenoide provocasse un cortocircuito tra i fili della bobina adiacenti. Sebbene non abbiamo analizzato direttamente questa teoria, la nostra analisi che confuta le precedenti teorie di guasto lento ha ristretto il campo delle possibili modalità di guasto e ha fornito supporto allo scenario di guasto rapido.

Analisi dell'usura rapida delle guarnizioni dei freni

Oltre all'analisi del guasto del solenoide, abbiamo studiato l'effetto di un solenoide danneggiato sull'usura delle guarnizioni dei freni. Dato che il solenoide coinvolto nell'incidente non ha potuto generare la forza di un normale solenoide, anche le pastiglie dei freni potrebbero essersi deteriorate così rapidamente? Dopo l'incidente, gli investigatori hanno scoperto che l'usura delle guarnizioni dei freni era ampia e hanno ipotizzato che questo grado di usura dovesse essere avvenuto gradualmente.

Per verificare se l'estesa usura dei freni avrebbe potuto verificarsi rapidamente a causa di un solenoide danneggiato, abbiamo sviluppato un modello computerizzato del freno per calcolare l'usura locale delle guarnizioni dei freni. Il modello includeva la rotazione del braccio del freno, nonché le forze opposte delle molle e del solenoide danneggiato. Inoltre, il modello includeva i dati degli esperimenti sull'usura estensiva eseguiti dai ricercatori su prototipi di guarnizioni per freni a tamburo, che hanno portato a dati che correlano i tassi di usura delle guarnizioni di massa alla temperatura del tamburo del freno.

Abbiamo utilizzato questi dati sull'usura della temperatura combinati con un modello del tasso di usura comunemente usato nell'industria dei freni per sviluppare un modello del tasso di usura locale. Il modello è stato implementato utilizzando sia lo Structural Mechanics Module che le equazioni differenziali definite dall'utente definite sulle superfici delle guarnizioni dei freni. La condizione al contorno del contatto disponibile nel software di simulazione ha fornito la pressione di contatto locale per il modello, che è stata utilizzata per determinare il tasso di usura locale in ogni punto lungo le guarnizioni dei freni. L'usura prevista delle guarnizioni dei freni è stata, a sua volta, utilizzata per specificare un offset dalla superficie del freno originale nella condizione del bordo di contatto, un'ipotesi valida a condizione che la quantità di usura sia piccola rispetto allo spessore della guarnizione. L'input per la simulazione dell'usura era una cronologia presunta della temperatura del tamburo. Abbiamo convalidato questo approccio di modellazione dell'usura simulando due problemi di usura meccanica: l'usura derivante dal contatto pin-on-disc e l'usura nei freni a disco per autoveicoli.

La condizione al contorno del contatto all'interno dello Structural Mechanics Module del software e la capacità di implementare facilmente equazioni differenziali definite dall'utente hanno reso la programmazione del processo di usura semplice e ci hanno aiutato a evitare metodi ingombranti, come la cancellazione degli elementi mesh. Questo tipo di analisi sarebbe stato impossibile o proibitivo utilizzando qualsiasi altro pacchetto di elementi finiti.

La Figura 3 mostra il modello agli elementi finiti utilizzato nell'analisi dell'usura. La figura 4 mostra un confronto tra l'usura delle guarnizioni dei freni misurata e prevista lungo la lunghezza dei freni alla fine della prova. Il modello ha anche previsto come la profondità di usura variasse nel tempo. I risultati della simulazione dell'usura hanno indicato che un solenoide danneggiato potrebbe causare temperature elevate del tamburo, portando a una rapida usura delle guarnizioni dei freni.

 In altre parole, l'elevata usura delle guarnizioni dei freni era del tutto coerente con un rapido susseguirsi di eventi, dal rapido deterioramento del solenoide alla rapida ed estesa usura delle guarnizioni dei freni. Questa teoria del rapido fallimento ha fornito una spiegazione alternativa, coerente e scientificamente valida dell'incidente, che non implica processi lenti.

Conclusione

Sebbene possiamo facilmente immaginare la simulazione come parte integrante della progettazione del prodotto, altri usi sono ugualmente importanti. La simulazione ha contribuito in modo essenziale a questa indagine, consentendoci di investigare rapidamente diversi scenari consentendoci di importare e gestire prontamente diverse geometrie, includere più fisici in un'unica simulazione e importare e utilizzare i dati sperimentali con le nostre simulazioni. Le simulazioni hanno fornito un modo efficiente e sistematico per testare e valutare gli scenari di guasto, un approccio che nessun altro aveva provato.

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Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi e Dr. Matthew Hancock

Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi e Dr. Matthew Hancock

Il Dr. Stuart Brown è socio amministratore di Veryst Engineering, una società di consulenza ingegneristica dell'area di Boston. Prima di fondare Veryst Engineering, Brown è stato direttore dell'Ufficio di Boston di Exponent, Inc. Prima di questo, è stato membro della facoltà del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT). È un esperto nella resistenza dei materiali e ha svolto attività di consulenza nei processi di produzione e fornisce consulenza tecnica su prodotti di consumo, componenti elettronici ed elettrici e apparecchiature industriali.

Il Dr. Nagi Elabbasi è ingegnere gestionale presso Veryst Engineering. La principale area di competenza di Elabbasi è la modellazione e la simulazione di sistemi non lineari e multifisici. Ha una vasta esperienza nella modellazione a elementi finiti e lavora con clienti nei settori biomedico, nucleare, geotecnico, edile, automobilistico e dei prodotti di consumo per risolvere problemi di progettazione e prestazioni del prodotto. Prima di entrare in Veryst, è stato ingegnere di ricerca e sviluppo presso ADINA, una società di sviluppo software a elementi finiti. Ha anche ricoperto posizioni post-dottorato presso il MIT e l'Università di Toronto.

Il Dr. Matthew Hancock è un ingegnere senior presso Veryst Engineering. Hancock ha una vasta esperienza nella meccanica dei fluidi e nella modellazione computazionale, compresa la microfluidica, la bagnatura di superfici strutturate, gli effetti della tensione superficiale, il trasferimento di calore e di massa, l'interazione solido-fluido, il moto ondoso e l'analisi multiscala. È coautore di dozzine di articoli di ricerca sottoposti a revisione paritaria in riviste come Nature Materials, Lab on a Chip, Small e Biomaterials. Ha lavorato in ambienti accademici, medici e industriali, sia come capo progetto che come consulente ingegneristico basato su modelli. Prima di entrare in Veryst, Hancock è stato visiting scientist al MIT e all'Harvard's Broad Institute, ricercatore post-dottorato presso la Harvard Medical School e la Pennsylvania State University e istruttore presso il Dipartimento di Matematica Applicata del MIT.

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