La progettazione dei sottocarri cingolati dotati di lame dozer rappresenta una fase critica nello sviluppo delle macchine movimento terra, poiché richiede generalmente molteplici iterazioni tra la modellazione tramite Computer Aided Design (CAD) e le simulazioni strutturali mediante Metodo degli Elementi Finiti (FEM), con conseguente aumento dei tempi di progettazione e dei costi computazionali. La mancanza di linee guida consolidate per il dimensionamento preliminare di questi sistemi complica ulteriormente le fasi iniziali di progettazione. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare uno strumento di dimensionamento preliminare per supportare i progettisti nella definizione delle principali caratteristiche geometriche e strutturali dell’assieme della lama dozer per macchine movimento terra cingolate. Il lavoro è iniziato con un’analisi di mercato di diverse macchine, al fine di individuare relazioni geometriche tra le principali dimensioni del meccanismo della lama. Da questo studio sono stati ricavati intervalli di valori raccomandati per i parametri geometrici chiave, fornendo utili linee guida per la modellazione preliminare dei principali componenti del sistema, tra cui aste della lama, cilindri idraulici, perni, occhielli di collegamento, giunti sferici ed eventuali elementi strutturali di irrigidimento. Successivamente è stato sviluppato un modello analitico per determinare le forze scambiate all’interno del meccanismo e le tensioni agenti sui vari componenti strutturali. Sulla base degli input geometrici e dei carichi, lo strumento consente un dimensionamento preliminare dell’assieme stimando le tensioni e i corrispondenti fattori di sicurezza. Le forze calcolate tramite il modello analitico sono state validate mediante simulazioni multibody, al fine di verificare la distribuzione dei carichi all’interno del meccanismo. Infine, le tensioni ottenute dal modello analitico sono state validate tramite simulazioni FEM dedicate. Il confronto tra i risultati analitici e quelli numerici ha permesso di valutare l’affidabilità dell’approccio proposto. Il processo complessivo di validazione ha dimostrato che lo strumento sviluppato fornisce risultati sufficientemente accurati per scopi di progettazione preliminare, consentendone l’implementazione come strumento aziendale interno per supportare e accelerare le fasi iniziali del processo di progettazione.
The design of crawler undercarriages equipped with dozer blades represents a critical phase in the development of earthmoving machinery, as it typically requires multiple iterations between Computer Aided Desing (CAD) modelling and structural Finite Element Method (FEM) simulations, resulting in increased design time and computational costs. The lack of consolidated design guidelines for the preliminary sizing of these systems further complicates the early design stages. The objective of this thesis is to develop a preliminary sizing tool to support designers in defining the main geometric and structural characteristics of the dozer blade assembly for crawler earthmoving machines. The work began with a market-based analysis of several machines in order to identify geometric relationships between the main dimensions of the blade mechanism. From this study, ranges of recommended values for key geometric parameters were derived, providing useful guidelines for the preliminary modelling of the main components of the system, including blade rods, hydraulic cylinders, pins, connecting eyes, spherical joints and possible structural stiffening elements. An analytical model was then developed to determine the forces exchanged within the mechanism and the stresses acting on the various structural components. Based on geometric and load inputs, the tool allows a preliminary sizing of the assembly by estimating stresses and corresponding safety factors. The forces calculated through the analytical model were validated via multibody simulations in order to verify the load distribution within the mechanism. Finally, the stresses obtained from the analytical model were validated through dedicated FEM simulations. The comparison between analytical and numerical results allowed the reliability of the proposed approach to be assessed. The overall validation process demonstrated that the developed tool provides sufficiently accurate results for preliminary design purposes, enabling its implementation as an internal company tool to support and accelerate the early stages of the design process.
Development and validation of an engineering tool for the preliminary design of dozer blade systems for crawler earthmoving machines
PUGLIESE, SAMUELE
2024/2025
Abstract
La progettazione dei sottocarri cingolati dotati di lame dozer rappresenta una fase critica nello sviluppo delle macchine movimento terra, poiché richiede generalmente molteplici iterazioni tra la modellazione tramite Computer Aided Design (CAD) e le simulazioni strutturali mediante Metodo degli Elementi Finiti (FEM), con conseguente aumento dei tempi di progettazione e dei costi computazionali. La mancanza di linee guida consolidate per il dimensionamento preliminare di questi sistemi complica ulteriormente le fasi iniziali di progettazione. L’obiettivo di questa tesi è sviluppare uno strumento di dimensionamento preliminare per supportare i progettisti nella definizione delle principali caratteristiche geometriche e strutturali dell’assieme della lama dozer per macchine movimento terra cingolate. Il lavoro è iniziato con un’analisi di mercato di diverse macchine, al fine di individuare relazioni geometriche tra le principali dimensioni del meccanismo della lama. Da questo studio sono stati ricavati intervalli di valori raccomandati per i parametri geometrici chiave, fornendo utili linee guida per la modellazione preliminare dei principali componenti del sistema, tra cui aste della lama, cilindri idraulici, perni, occhielli di collegamento, giunti sferici ed eventuali elementi strutturali di irrigidimento. Successivamente è stato sviluppato un modello analitico per determinare le forze scambiate all’interno del meccanismo e le tensioni agenti sui vari componenti strutturali. Sulla base degli input geometrici e dei carichi, lo strumento consente un dimensionamento preliminare dell’assieme stimando le tensioni e i corrispondenti fattori di sicurezza. Le forze calcolate tramite il modello analitico sono state validate mediante simulazioni multibody, al fine di verificare la distribuzione dei carichi all’interno del meccanismo. Infine, le tensioni ottenute dal modello analitico sono state validate tramite simulazioni FEM dedicate. Il confronto tra i risultati analitici e quelli numerici ha permesso di valutare l’affidabilità dell’approccio proposto. Il processo complessivo di validazione ha dimostrato che lo strumento sviluppato fornisce risultati sufficientemente accurati per scopi di progettazione preliminare, consentendone l’implementazione come strumento aziendale interno per supportare e accelerare le fasi iniziali del processo di progettazione.| File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/20.500.14251/5355