Verifica della tenuta di una guarnizione mediante FEA

Uno dei problemi critici nel dimensionamento delle valvole, e in generale dei sistemi di tenuta, è la progettazione delle guarnizioni e delle relative sedi di montaggio. Non è sempre possibile ridurre le caratteristiche elastiche delle guarnizioni ai parametri dei materiali isotropi elastici lineari: l’elasticità infatti dipende dallo stato di deformazione (compressione) che nella maggior parte dei casi è notevole (lo schiacciamento rispetto allo spessore indeformato oscilla tra il 10% e il 20% e talvolta oltre). Nota la curva caratteristica del materiale, i parametri su cui è possibile agire sono i diametri interno ed esterno, spesso vincolati da altre esigenze funzionali, e lo spessore.

Lo studio svolto per il produttore LVF in collaborazione con l’ufficio tecnico ha come obiettivo la valutazione dello stato di compressione della guarnizione mediante un modello strutturale ad elementi finiti.

Tenuta guranizione valvola CAD
Geometria CAD della valvola (sezione)

Per uno studio adeguato delle zone di debolezza della tenuta, è necessario utilizzare un modello geometrico il più vicino possibile a quello reale: non è quindi possibile assimilare a priori il problema a un caso piano assialsimmetrico: le uniche semplificazioni ammissibili riguardano lo sfruttamento del piano di simmetria della valvola, la semplificazione della flangia di collegamento al circuito idraulico e la possibilità di trascurare lo stelo e la baderna. Queste esigenze di dettaglio rendono il modello analitico relativamente pesante dal punto di vista computazionale.

 La gestione intelligente sia del livello di dettaglio che del numero complessivo di nodi ed elementi del modello è un aspetto fondamentale per riuscire a risolvere un problema con numerosi gradi di non linearità, quindi con una soluzione da cercare attraverso un procedimento iterativo.

Alla non linearità del materiale (prevalentemente della guarnizione ma eventualmente anche di altri componenti) già citata si aggiunge infatti la necessità di considerare il contatto tra le due flange garantito dal serraggio dei bulloni e, soprattutto, il contatto della guarnizione con le relative sedi sul corpo valvola e sul coperchio. In questo ultimo caso in particolare, è necessario introdurre una stima del coefficiente di attrito per simulare il contatto in modo accurato.

Mesh tetraedrica del corpo valvola e della guarnizione
Mesh tetraedrica del corpo valvola e della guarnizione

Lo strumento di calcolo utilizzato da  LVF è il solutore NEi Nastran v9.2 di NEi Software. Le fasi di pre e post processing sono state eseguite nell’ambiente integrato di NEi Fusion v1.4 che permette di gestire la modellazione geometrica-fem parametrica e associativa avanzata, la preparazione del modello FEM e la visualizzazione dei risultati.

Distribuzione degli sforzi (Von Mises)
Distribuzione degli sforzi (Von Mises)

Infine riportiamo l’immagine che mostra la pressione residua sulla guarnizione, che insieme ad altri dati ricavabili dalla simulazione FEM (es. pressione di contatto), permette di accertare il mantenimento della tenuta della valvola e di convalidare la geometria e il precarico.

Pressione residua sulla guarnizione
Pressione residua sulla guarnizione

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