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resistenza di UN TUBO

Tecniche per la costruzione e la riparazione di apparecchiature elettriche e non. Ricerca guasti. Adattamenti e riutilizzazioni

Moderatore: Foto Utentestefanob70

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[1] resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utentelodovico » 10 lug 2020, 17:41

ciao a tutti.
ho un tubo di alluminio diam 24 spessore 1mm lungo 50 cm,
precisamente questo in foto:

IMG_20200710_160939-600x800.jpg


nella fattispecie, vorrei utilizzarlo come braccio di un esacottero autocostruito, di questo tipo:

Caricamento dispositivo mobile 2020-07-10 16-14-57.jpg


il tubo viene inserito tra due piatti che formano la parte centrale dell'esacottero.

ora stavo cercando di valutare se diametro e spessore (e materiale) sono idonei per il mio caso, dove immagino di 'appendere al centro del piatto' un peso di 10kg.

all'estremita' del tubo ovviamente ci sara' un motore con relativa elica, e dunque quando il drone sara' in hovering, avro' in quel punto una forza verso l'alto di circa 2.5kg che contrasta il peso del drone ( payload di 10 kg piu 5kg del drone stesso (motori, batteria, struttura etc))

la mia domanda e' : sara' sufficiente un diametro di 24mm e spessore di 1 mm?

ma a parte questo momento 'statico', avro' anche bisogno di una certa resistenza aggiuntiva per contrastare le accelerazioni necessarie per gli spostamenti.

(chiaramente, trattandosi di 'drone agricolo' cerchero' di limitare le accelerazioni , in modo da avere sempre spostamenti 'soft')

cosa potrebbe accadere se diam 24mm non fosse sufficiente?come faccio a calcolare il diametro adatto, in base alla lunghezza?
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[2] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utenteclaudiocedrone » 13 lug 2020, 1:53

Foto Utentelodovico, penso che ad avere una indicazione di massima si faccia prima con una prova empirica; intanto prendi uno degli spezzoni di tubo che hai a disposizione, lo fissi ad un estremo sul bancone (magari anche con un collare avvitato) in modo che sporga di quanto sporgerebbe dai piatti centrali dell'esacottero poi appendi un secchio graduato all'estremo libero (magari fissi anche questo con un collarino) e riempi gradualmente di acqua fino a 5 l, 10 l, 15 l (corrispondenza praticamente diretta con i kg) e vedi se e quanto e come regge prima di flettere significativamente o schiacciarsi o magari spezzarsi; se arrivi senza inconvenienti al peso che hai preventivato hai terminato il test di resistenza statica e quello ulteriore di resistenza alle sollecitazioni dinamiche sotto carico lo puoi effettuare semplicemente con la forza della tua mano spingendo poi l'estremo col secchio verso il basso e/o assestandogli dei colpi più o meno forti a tuo piacimento. O_/

Edit: Stavo pensando, anzi ripensando, che ognuno dei sei bracci deve resistere bene alla somma sia di 1/6 del peso totale del corpo completo di batterie, elettronica di controllo, sprayer, relativo serbatoio e carico sia alla spinta del rotore e motore che deve alzarlo quindi approssimativamente "staticamente" al doppio ovvero 1/3 del totale e anche che per maggiore resistenza forse sarebbe meglio un profilato a sezione rettangolare che non circolare, col lato lungo ovviamente in verticale.
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[3] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utenterichiurci » 13 lug 2020, 9:08

Io invece cambierei materiale.

La leggerezza dell'alluminio lo rende adatto a impieghi "massicci", ma il fatto che sia meno elastico dell'acciaio rende necessario sovradimensionare le sezioni.

Ho in mente i telai moto: quelli classici in acciaio sono fatti di tubi sottili, quelli in alluminio di grosse sezioni, e sono più rigidi ma il peso non cambia tantissimo.

Nel tuo caso per non dover sovradimensionare eccessivamente il tutto potresti usare tubi di acciaio ben più sottili, che fletteranno leggermente verso l'alto durante il volo. Ne guadagna anche la resistenza aerodinamica (che nel tuo caso impatta sul flusso d'aria dell'elica.

Da valutare insomma, ma 24mm di diametro così a intuito mi sembrano tantissimi, forse stai esagerando, non è banale credo progettare un drone del genere.
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[4] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utentelemure64 » 13 lug 2020, 11:11

Premetto che non sono del ramo, mi son divertito a cercare in rete perché il problema mi ha incuriosito.

Come prima cosa ovviamente le sollecitazioni. Dici di avere 10 kg appesi e i bracci sono sei quindi fa 1.66 kg, che possiamo considerare un carico all'estremità di una mensola. Ma questo è solo il carico statico, ovviamente ci saranno da considerare un sacco di fattori come le sollecitazioni dinamiche e molto altro. Ho trovato un PDF in cui viene studiato esattamente lo stesso problema. Si scarica direttamente cercando in rete con "IJETAE_0418_35" senza virgolette. In quel PDF si assume un moltiplicatore del carico pari a 2.4 che ci porta il carico in estremità a 4 kg, a cui corrisponde momento all'incastro di 4*50=200 kg*cm, punto.

Adesso non resta che calcolare il modulo di resistenza di una sezione a tubo con i dati che hai specificato, che vale 0.957 cm^3, da cui risulta la tensione massima 200/0.95=210 kg/cm^2. Per l'alluminio possiamo considerare come valore orientativo una resistenza di 1400 kg/cm^2 che secondo me ci risparmia le verifiche successive. Giusto per avere un'idea dell'azione di taglio potremmo valutarlo dividendo il carico per l'area della sezione (sì, so che esiste una formula col momento statico ma tanto...) che ci dà 5.5 kg/cm^2 che possiamo anche triplicare e sommare direttamene rinunciando al calcolo dello stato di tensione risultante, arriviamo sotto i 250 kg/cm^2. Manca la torsione: bisognerebbe trovare la configurazione di eliche guaste che produrrebbe i maggiori effetti torsionali e non so valutare, ma penso sia roba di molto poco.

A questo punto dovrebbero restare le due cause principali che abbiamo lasciato fuori. Una è la fatica del materiale e l'altra è un ulteriore eventuale sovraccarico dinamico per manovre d'emergenza, come per esempio un calo di potenza tale che sia ancora possibile manovrare per evitare di decapitare passanti ma comunque arriverà a terra un mezzo rottame. Non so se quel coefficiente 2.4 assunto nel PDF comprende questo tipo di scenari e addirittura gli effetti di fatica. Però, se i calcoli qui sopra sono corretti e invece di 250 kg/cm^2 ne consideriamo il doppio, abbiamo un ulteriore coefficiente di sicurezza pari a 1400/500=2.8 che potrebbe essere, a occhio, da tanto a tantissimo. Non so. Una stima più realistica potrebbe essere un 20% in più rispetto ai calcoli, ovvero 1400/(250*1.2)=4.66 che secondo me è vicino al valore realistico. In altre parole sfrutti il tubo per meno di 1/4 delle sue capacità di resistenza.

Ora, cosa fare dipende dai vincoli di progetto. Se il tubo è "assegnato" e ci si deve costruire il tutto intorno, si potrebbe studiare qualcosa di più grosso, come potenza di motori e relativo payload oppure, ovviamente, passare a un tubo più sottile. Però le tensioni vanno con la quarta potenza delle lunghezze caratteristiche delle sezioni geometriche quindi basta diminuire di poco il diametro e/o lo spessore per trovarsi facilmente a sforare i criteri di verifica.

Ovviamente meglio prendere con le molle il tutto, a cominciare da ipotesi e conti. Non è il mio campo e ho completamente improvvisato.
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[5] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utentelodovico » 18 lug 2020, 16:43

Foto Utenteclaudiocedrone Foto Utenterichiurci Foto Utentelemure64 ,grazie per le risposte.
vi spiego:
il tubo da 50 cm diam 24 dipende dal fatto che ho iniziato il progetto basandomi sulle misure di un drone esistente (tarot) di classe 1000 (100 cm interdistanza tra motori opposti), ma poi facendo i calcoli con ecalc ho scoperto che l'efficienza migliorava aumentando le dimensioni dell'elica, e sono arrivato ad acquistare eliche da 22 pollici.
ma eliche da 22 pollici non vanno bene per un classe 1000, perche' per un esacottero le estremita' si toccherebbero.
Quindi ora secondo ecalc devo devo portare la lunghezza dei bracci a circa 60cm, per avere una interdistanza di almeno 120 cm.
Il tubo di alluminio e' la componente meno costosa del drone (con 10-12 eur riesco a fare tutti i bracci), tuttavia non vorrei sbagliare di nuovo la lunghezza, per cui prima di tagliare dei tubi da 60 volevo avere un minimo di sicurezza che quella sezione fosse sufficiente.
In alternativa esistono i tubi in fibra di carbonio, largamente usati in questo campo, ma un po piu costosi...e questi probabilmente saranno lo step finale dopo lo sviluppo di questo 'prototipo', dove pensavo di utilizzare per la struttura materiali piu 'poveri' e facili da lavorare.

Foto Utentelemure64, con un braccio da 60 cm , secondo i tuoi calcoli, la sezione ti risulta ancora sovradimensionata?

ps non preoccupatevi per le teste :mrgreen: , il drone (quando mai volera') lo fara' sempre solo a bassa quota (2-3 mt al max) sopra una risaia deserta, quindi se cadesse a rischiare sara' al max qualche rana :mrgreen:

Per quel che riguarda il payload, ho parlato di 10kg per dare un'indicazione di massima: questo non duperera' i 10kg, ma sicuramente anche un eventuale sviluppo ad ottacottero classe 1600 (che ho in mente), non superera' mai i 18 kg considerato che per la classe di aeromobili oltre i 25kg (quindi 18 sarebbe il limite, considerando 6-7 kg di peso della struttura ) occorrono ben altre dotazioni di bordo e permessi per farlo volare.

E a proposito di permessi: ho scoperto che in italia/europa non e' in generale possibile distribuire fitofarmaci con mezzi aerei; ed un drone, seppur volando a bassa quota, e' ancora considerato tale, cioe' alla pari di un elicottero, dalla nostra legislazione.
A detta di esperti, la risaia e' uno scenario ideale per l'utilizzo di droni per la distribuzione di fitofarmaci (per vari motivi), ma
non esistono ancora norme adeguate per l'applicazione di questa relativamente nuova tecnologia in questo campo.

In realta' la legge dice che non e' possibile usare prodotti con l'indicazione 'vietata la distribuzione con mezzi aerei', ma facendo una breve ricerca questo comprende praticamente tutti i pesticidi/erbicidi etc attualmente in commercio.

Invece e' ammesso distribuire:

- sementi
- concimi
- biostimolanti

quindi ora mi sto occupando della costruzione di uno spandiconcime/semente per drone :D
Sui siti cinesi ne esistono gia' ma i prezzi sono esagerati,
non mi pare proprio difficile da realizzare con semplici mezzi.

Sto per aprire un thread su questo argomento, spero vi incuriosira' di nuovo in modo da avere nuovamente utili consigli :D
Grazie ancora.
O_/
Ultima modifica di Foto Utentelodovico il 18 lug 2020, 16:58, modificato 1 volta in totale.
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[6] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utentelemure64 » 18 lug 2020, 16:57

In primissima approssimazione, assumendo il carico all'estremità del braccio-coso-nonsocomesichama e trascurando il peso proprio che è piccolo, la tensione massima al bordo della sezione è una funzione approssimativamente lineare. Quindi se scrivo sigma = k * L e uso i valori del calcolo so che sigma è 250 kg/cm^2 in corrispondenza di L = 0.5, quindi k vale 500 e puoi facilmente vedere cosa succede portandola a 0.6 m ovvero la tensione passa a 300 kg/cm^2 da confrontare con 1400 kg/cm^2, ovvero ancora molto lontana dal limite del materiale, salvo tutte le ipotesi fatte.

Questo ovviamente vale se il peso totale del tuo drone non è cambiato quindi non è cambiato nemmeno il carico all'estremità del braccio. Ma anche se cambiasse, la funzione resta lineare e basta determinare la nuova costante di proporzionalità.

Valori così lontani dal limite permettono di trascurare non solo il peso proprio del braccio ma anche il suo incremento, più altri effetti, compreso l'incremento del taglio.

E' chiaro che se i calcoli fatti nel modo descritto portassero a tensioni dell'ordine di metà della o, peggio, oltre, la tensione di riferimento occorrerebbe fare altri ragionamenti, tenere conto di taglio e torsione, valutare bene le forze e gli incrementi dinamici. Tutto si può fare...

Però ripeto, ho solo cercato in rete quindi spero che intervenga qualcuno che fa queste cose normalmente :D
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[7] Re: resistenza di UN TUBO

Messaggioda Foto Utentelodovico » 18 lug 2020, 18:30

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