Analysis of static and dynamic behaviour of machine-tool structure: Development of numerical method and computer program

Summary A number of machine-tool structures and subassemblies may be approximated by a set of parallel and orthogonal beam elements suitably interconnected. The recognized advantages offered by such a family of models for solving the static and dynamic analysis problems stimulated the development of the computer program described further in the work. This work is made up by three main parts, namely, the first dealing with theoretical foundations of the equilibrium method, the second with the development of numerical solution method of the fundamental matrix equation, and eventually the third in which program structure, input and output are described and a simple example of application is given.

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Sommario Tenuto conto che un gran numero di macchine utensili e/o di componenti di queste possono schematizzarsi mediante una serie di elementi trabeiformi fra loro paralleli od ortogonali e rigidamente collegati e che il calcolo automatico del comportamento statico e dinamico di tali modelli non comporta costi troppo elevati assicurando risultati soddisfacenti, è stato sviluppato il programma di calcolo descritto nel lavoro in oggetto. Questo lavoro è costituito da tre parti fondamentali, la primq tratta dei fondamenti teorici del metodo di “equilibrio”, la seconda sviluppa una soluzione per via numerica della equazione matriciale fondamentale, infine la terza analizza la struttura del programma, descrivendone insieme l'input e l'output e ne riporta un esempio applicativo.

     

Stationary and extremum variational formulations for the elastostatics of cable networks

Summary The static analysis of elastic cable networks submitted to generic, conservative loads and prescribed dislocations is considered in this paper. The cables are assumed as stress-unilateral (only tensile stresses are admitted), and represented according to a Lagrangian standpoint, under the customary large displacements hypothesis. A variational formulation of the problem is given, as the stationary of a saddle functional with respect to displacements and (signconstrained) tractions. Uniqueness properties for the solution are derived from this statement, together with two complementary (constrained) minimum formulations, which correspond to the well-known extremum principles of the total potential energy and the complementary energy. The case of a network loaded only at the nodes is exposed as a specialization.

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Sommario Si considera il problema dell’equilibrio delle reti di funi elastiche sottoposte a carichi conservativi, distribuiti o concentrati, e a distorsioni impresse. Alla singola fune è attribuito comportamento unilaterale (reagenza a sola trazione). La trattazione è condotta in forma lagrangiana, sotto la naturale ipotesi di grandi spostamenti. Si perviene ad una formulazione variazionale di stazionarietà di un funzionale sella nelle variabili di spostamento e di sforzo, queste ultime vincolate in segno, e sulla base di questa formulazione vengono discusse le proprietà di unicità della soluzione. Si deducono inoltre due formulazioni complementari di estremo vincolato, corrispondenti agli usuali principi di minimo dell’energia complementare e dell’energia potenziale totale. Il problema delle reti caricate solo nei nodi è esposto come caso particolare.

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The content of this paper was partly presented at the sixth congress AIMETA, held in Genova (Italy), October 7–9, 1982.     

Elastic wave interaction with a cracked quarter-plane

Summary The elastodynamic interaction between explosively generated body and surface wave and an edge crack in a quarter-plane is investigated. Dynamic photoelasticity was employed to obtain full-field information for data analysis. Measurements of the stress distribution along the free boundaries of the quarter-plane and along the crack walls have been made. Stress intensity distributions at both, the corner and the flaw tip and surface stress distributions for the diffracted and reflected Rayleigh-waves were obtained in the region near the cracked corner.

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Sommario Si studia l’interazione elastodinamica tra onde di volume e di superficie ed una fessura su un bordo in un quarto di piano. Si è fatto uso della fotoelasticità dinamica per ottenere un’informazione completa sull’analisi dei dati. Si sono effettuate misure della distribuzione di sforzo lungo i contorni liberi del quarto di piano ed i contorni della fenditura. Si sono ottenute le distribuzioni d’intensità di sforzo sia nell’angolo che nell’estremità difettosa e le distribuzioni superficiali di sforzo per le onde di Rayleigh diffratte e riflesse nella regione dell’angolo crepato.

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Multi mass drive systems with stepped shafts

Summary A continuous model of a multi mass drive system with stepped shafts, loaded by external moments, is proposed and analysed by means of one dimensional torsional waves. A procedure is developed for calculation of velocities, strains and displacements in an arbitrary cross-section of the shafts, and some necessary conditions for the stability of angular displacements are formulated.

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Sommario Si propone un modello continuo di un sistema di guida a masse molteplici con alberi a sezione variabile con discontinuità, caricati da coppie esterne. L'analisi è condotta per mezzo di onde torsionali monodimensionali. Si sviluppa un procedimento per il calcolo di velocità, deformazioni e sponstamenti di una generica sezione degli alberi e si formulano condizioni necessarie per la stabilità degli spostamenti angolari.

     

Some remarks on neutron transport in homogeneous slabs and spheres

Summary In this work we are concerned with the stationary neutron transport Boltzmann equation (in its integral form) in plane and spherical symmetry; both the study of the properties of the exact and approximate solution are based on functional analysis. We have taken advantage of the fact that the kernel of the integral equation is even, to semplify the general discussion; among the results, we quote that relating to the continuity of the solution with respect to the optical thickness. Moreover we emphasized that the Ritz method seems the most convenient one for the approximate evaluation of the solution; in this connexion, some observations have been made about the convergence of the approximate solutions to the exact one.

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Sommario In questo lavoro consideriamo l'equazione stazionaria di Boltzmann (nella forma integrale) in simmetria piana e sferica; l'uso di alcuni metodi dell'analisi funzionale ci consente di studiare sia le proprietà della soluzione esatta che di quella approssimata. La semplice osservazione che il nucleo dell'equazione integrale è pari, ci ha permesso di semplificare la discussione generale; tra i risultati segnaliamo quello riguardante la continuità della soluzione rispetto allo spessore ottico. Inoltre abbiamo sottolineato che il metodo di Ritz ci sembra il più opportuno punto di partenza per il calcolo approssimato della soluzione; in relazione a ciò, vengono fatte alcune osservazioni a proposito della convergenza delle soluzioni approssimate verso quella esatta.

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Work performed under contract C.N.R.     

Influence of some characteristic parameters on the low frequency instability in bi-propellant rocket engines

Summary In the present report, it is examined low frequency oscillations built up in a bi-propellant rocket engine equipped with pressurized feeding system.Some of the main parameters having a predominant effect on the phenomenon are investigated and the obtained criteria is found useful for the engine design purposes.All graphs are presented in a non-dimensional form which leads to a generalized use of the above mentioned method.Numerical results were processed by means of a high speed digital computer of the calculation center of Politecnico di Milano.

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Sommario Nel presente articolo si studiano le oscillazioni a bassa frequenza nei motori a razzo bi-propellente, con sistema di alimentazione e pressurizzazione.Si sono rilevati i parametri fondamentali che influenzano il fenomeno e si sono ottenuti dei criteri di calcolo utili in sede di progettazione.Tutti i grafici sono riportati in forma adimensionale in modo da rendere generale il metodo di calcolo.I risultati numerici sono stati ottenuti con il calcolatore elettronico IBM7040 in dotazione del Centro di calcolo del Politecnico di Milano.

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Minimum theorems for displacement and plastic strain rate histories in structural elastoplasticity

Summary The finite element method approach is used to obtain formulations of analysis problems relative to elastic-plastic structures when subjected to prescribed programmes of loads, and under the restrictive hypotheses:a) the yielding surfaces are piecewise linearized, andb) the plastic flow-laws are supposed to be of holonomic type within a single “finite” time interval. For mulations are given as linear complementarity problems and quadratic programming problems: one pair of formulations in terms of velocity and plastic multiplier rate histories, and another pair in terms of plastic multiplier rate histories only. The solutions are shown to be characterized by two minimum principles for displacement and plastic strain rate histories. After some general remarks about computational procedures, the paper is concluded with some suggestions for future developments.

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Sommario Si usa il metodo degli elementi finiti per formulare problemi di analisi relativi a strutture elasto-plastiche soggette a prescritti programmi di carico, sotto le ipotesi restrittive:a) le superfici di plasticizzazione sono linearizzate a tratti, eb) la legge del flusso plastico è olonoma all'interno del singolo intervallo di tempo “finito”. Si danno formulazioni come problemi di complementarità lineare e come problemi di programmazione quadratica: due formulazioni sono in termini di storia delle velocità e dei coefficienti di attivazione plastica, altre due sono in termini di storia dei coefficienti di attivazione plastica soltanto. Si dimostra che le soluzioni sono caratterizzate da due principi di minimo per la storia delle velocità di deformazione. Dopo alcune osservazioni generali sui procedimenti di calcolo, il lavoro si conclude con dei suggerimenti per futuri sviluppi.

     

Numerical computation of one-dimensional unsteady flow in channels

Summary A numerical technique used in gasdynamics is here applied to the solution of one-dimensional unsteady flows in channels in the spirit of the shallow water theory. Its most important feature is the explicit treatment of imbedded bores generated in the flow by coalescence of characteristics. Four numerical examples are presented to show possible applications of the method.

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Sommario Si mostra qui l'applicazione al calcolo di correnti non stazionarie in canali, secondo la formulazione della “shallow water theory”, di metodologie numeriche già usate in gasdinamica. Il trattamento esplicito di risalti, formati per coalescenza di caratteristiche, costituisce il punto particolare del lavoro. Vengono quindi presentati quattro esempi di applicazione della metodologia numerica.

     

Propagation of periodic long waves

Summary A method is developed for the computation of the steady solution of the shallow water equations with quasi periodic boundary conditions. Because of dissipation the influence of the initial conditions becomes negligible with increasing time and the solution finally depends on the boundary conditions. The unknowns variables (velocity and surface elevation) and the boundary conditions are developed in power series of a small perturbation parameter. The problem is then transformed in a sequence of linear problems which have the same associated homogeneous problem. By separating the time and space variables in the homogeneous problem we obtain an homogeneous elliptic problem of which we compute the first eigenvalues and eigensolutions. These are related to the characteristic oscillations of the water in the basin. The solution of each linear problem is then obtained as an eigensolution expansion with time dependent coefficients. These coefficients are solutions of ordinary differential equations which can be solved directly without proceeding step by step in time. In this way we are reduced to a stationary problem i.e. the determination of the eigenvalues and eigensolutions of the elliptic problem and to the computation of several integrals needed for the determination of the time dependent coefficients. A first test of the method has been carried out for a one-dimensional problem i.e. the tidal wave in a canal of finite length and constant depth. In this case the various steps of the procedure outlined above can be performed analitically. The results have been compared with those obtained by a step by step numerical integration of the shallow water equations. The agreement between these sets of results is good for the range of values of the parameters currently used in the applications.

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Sommario Viene presentato un metodo per il calcolo della soluzione a regime delle equazioni delle onde lunghe, dipendente dalle sole condizioni al contorno quasi-periodiche, dopo aver mostrato che l'influenza delle condizioni iniziali diventa col tempo trascurabile a causa del termine di resistenza. Il metodo si basa sullo sviluppo in serie di potenze di un piccolo parametro sia delle incognite (velocità ed elevazioni del pelo libero) sia delle condizioni al contorno al fine di trasformare il problema non lineare in una serie di problemi lineari aventi lo stesso problema omogeneo associato. Con la separazione delle variabili spazio, tempo quest'ultimo problema viene ricondotto ad un problema ellittico omogeneo di cui si calcolano i primi autovalori ed autosoluzioni. Da ultimo la soluzione di ciascun problema lineare è ottenuta come sviluppo in serie di autosoluzioni a coefficienti dipendenti dal tempo: questi si ricavano risolvendo analiticamente delle equazioni differenziali ordinarie. Si elimina cosi la necessità di procedere passo passo nel tempo analogamente ai classici metodi armonici di soluzione di sistemi lineari. Riassumendo, l'applicazione del metodo riconduce alla soluzione di un problema stazionario (determinazione di autovalori ed autosoluzione del problema ellittico) e quindi al calcolo dei vari integrali necessari per la determinazione dei coefficienti temporali. Il metodo è stato provato nel caso semplice della propagazione di onde di marea in un canale di lunghezza finita e sezione costante. Per questo esempio i vari passi di calcolo possono essere svolti analiticamente. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla integrazione numerica delle equazioni col metodo delle caratteristiche, ottenendo un buon accordo.

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Work sponsored by the CNR (National Research Council) in the framework of Project ?Conservazione del suolo? Subproject ?Dinamica dei Litorali? Publ. n° 46.     

An algorithm for the shakedown analysis of plane frames

Summary A quite straightforward procedure for the shakedown analysis of plane frames is presented. Plastic deformability is assumed as due to the bending moment only and lumped in a finite number of sections of the structure. This procedure is also suitable for the limit analysis problems of frames.

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Sommario Si propone un procedimento speditivo per il calcolo a shakedown di strutture intelaiate piane, sotto l'ipotesi di deformabilità plastica concentrata in sezioni isolate e dipendente dal solo momento flettente. Il procedimento è anche applicabile alla risoluzione di problemi di calcolo a rottura di telai.

     

On the principle of gyroscopic effect for self-excited rigid bodies

Summary A new method is described whereby the gyroscopic effect for self-excited rigid bodies is studied by means of a differential equation of the second order and the results of other Authors are generalized.

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Sommario Si descrive un metodo di calcolo, che permette di ricondurre la discussione sulla validità dell'effetto giroscopico per i solidi autoeccitati allo studio di una equazione differenziale del secondo ordine e di generalizzare i risultati ottenuti da altri Autori.

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This work has been done under the auspices of the Research Group no. 6 of C.N.R.     

Natural frequencies of viscous liquids in rectangular tanks

Summary A procedure for calculating natural oscillating frequencies of viscous liquids in rigid rectangular tanks is suggested together with diagrams for obtaining the values by means of dimensionless coefficients.Experimental results are compared with the theoretical ones and are found to be in good agreement.

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Sommario Si propone uno schema per il calcolo delle frequenze naturali di oscillazione di liquidi viscosi contenuti in serbatoi rettangolari rigidi e si riportano diagrammi mediante i quali è possibile individuare, attraverso coefficienti adimensionali, i valori di tali frequenze.Si confrontano i risultati di una indagine di laboratorio con quelli ottenuti teoricamente, evidenziando la buona concordanza.

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Calculation of the natural frequencies and the principal modes of helicopter blades

Summary A procedure for calculating the natural frequencies and the principal modes of rotating helicopter blades based on the transfer matrix method is described. The blade is divided into a finite number of elements considered as continuous. A solution involving less laborious calculation, in which the masses are assumed to be concentrated, is also supplied.The advantage of the method developed is that it takes due account of the effective rotor-shaft constraints.Some numeric applications are given.

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Sommario Nel presente lavoro si espone un metodo di calcolo delle frequenze proprie e delle deformate di pale d'elicottero rotanti basato sul metodo delle matrici di trasferimento. Con tale metodo la pala viene suddivisa in un numero finito di tronchi considerati come continui. Si espone pure a scopo di confronto una soluzione meno gravosa per il calcolo in cui si assumono concentrate le masse.Il metodo esposto permette di tener conto con particolare cura delle effettive condizioni di vincolo del rotore con l'albero.Si riportano infine alcune applicazioni numeriche.

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Gear tooth stress analysis by the complex potentials method

The complex potentials method of plane elasticity theory is applied to spur gear stress analysis. The concept is that the stress field in a gear tooth loaded by a point force can be obtained using the Boussinesq solution and a transformation function mapping a bell-shaped curve approximating the real tooth shape in the z-plane into the semi-infinite ζ-plane. The main features of an original computer code implementing this formulation are presented along with applications.

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Sommario Dopo un'illustrazione di come lo stato di sollectitazione in un dente di una ruota dentata a denti diritti puo' essere ottenuta mediane il metodo delle trasformazioni conformi e dei potenziali complessi della teoria dell'elasticita' piana, viene presentata la struttura di un codice di calcolo originale che implementa questo approccio ed alcune applicazioni.

     

A thin airfoil spline panel method

Summary A fourth-order-accurate panel method based on spline interpolating polynomials for potential flow past a thin airfoil is presented. Numerical results are given for a symmetric airfoil at angle of attack, for which the fourth order accuracy of the method is clearly demonstrated.

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Sommario Si presenta un metodo dei pannelli basato su polinomi interpolatori (di tipo spline per la soluzione di flussi potenziali intorno a profili alari sottili. Si forniscono i risultati numerici per un profilo simmetrico ad angolo d'attacco che dimostrano l'elevata accuratezza numerica del metodo in questione.

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This research was supported by the C.N.R.     

Some aspects of flutter of cylindrical panels

Summary Pursuing a previous study, the investigation of some aspects of the flutter of weakly curved panels is taken a stage further. A new system of visual presentation of the results evolved for this makes the analog computer study easier and more rewarding. Further, an improvement in the calculating circuit permits continuous variation both of the flutter parameter and of the compression load during calculation.

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Sommario Proseguendo una ricerca già iniziata si approfondiscono alcuni aspetti del flutter dei pannelli a debole curvatura. Per questo è stato messo a punto un nuovo sistema di presentazione visiva dei risultati che ha reso più agevole e profiquo lo studio condotto con il calcolatore analogico; inoltre si è migliorato il circuito di calcolo ottenendo la possibilità di variare in modo continuo, durante il calcolo, oltre che il parametro di flutter, anche il carico di compressione.

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The ellipse of torsional elasticity

Summary In perfect analogy with Culmann's theory of the elasticity ellipse a flexo-torsional ellipse is devised for rapid calculation of the displacements, hyperstatic reactions and influence lines in beams with a straight axis and variable cross section even in conditions of non uniform torsion.

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Sommario In perfetta analogia con la classica teoria di Culmann dell'ellisse di elasticità, si instaura una ellisse di carattere flesso-torsionale che permette il calcolo rapido degli spostamenti, delle iperstatiche, delle linee di influenza nelle travi ad asse rettilineo a sezione comunque variabile, anche in regime di torsione non uniforme.

     

Mohr's arbelos

The classical representation of the stress state due to O. Mohr is obtained by using the calculus of constrained extrema.

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Sommario Si ottiene la classica rappresentazione di O. Mohr dello stato tensionale con i metodi del calcolo di estremi condizionati.

     

On the effect of wall oscillations on mass (heat) transfer in channel flow

Summary A mechanism is investigated which might lead to enhancement of the rate of mass (or heat) transfer in channel flow at relatively low Reynolds numbers. One of the possible areas of application of this mechanism concerns blood oxigenators. Enhancement of the transfer rate is sought by oscillating the channel walls. The mass transfer analysis given in this paper shows that, for large Peclet numbers and small amplitudes of the wall oscillations, the effect of the steady streaming can be exploited in order to increase mass transfer from the wall only for a range of moderate values of non dimensional frequency α close to 1.

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Sommario Si analizza un meccanismo che può rivelarsi idoneo ad attivare lo scambio di massa (o calore) in dispositivi di scambio operanti in condizioni di deflusso laminare. In particolare una verosimile e significativa area di applicazione di tale meccanismo è quella degli ossigenatori a membrana utilizzati nella circolazione extracorporea. Nel caso qui esaminato il procedimento di possibile attivazione dello scambio di massa consiste nel far vibrare ad opportune frequenze le pareti che delimitano i meati di cui è costituito l'ossigenatore. L'analisi mostra che per grandi valori del numero di Peclet e piccole ampiezze di oscillazione delle pareti, lo scambio di massa è incentivato solo per valori del parametro adimensionale di frequenza α (numero di Womersley) prossimi ad 1.

     

Theoretical studies on heterogeneous deflagration waves. 1. A partial differential equation formulation of the problem

Summary This is the first of a three — part theoretical study on heterogeneous deflagration wave propagation. The theory is of a general nature; but specific reference to a composite solid rocket propellant is made. The ultimate objective of this line of research is to define conditions for statically and dynamically stable deflagration propagation. In this first paper, a quite general model of the problem in terms of a partial differential equation is reviewed. A flame model is used for the gas phase. The important assumptions are quasi-steady gas phase and collapsed reacting layer in the condensed phase. The model developed is the starting point for a transformation into an ordinary differential equation formulation of the problem (second part of the study); from this, the stability features of heterogeneous deflagration waves are immediately defined (last part of the study). The theory is verified by computer and experimental work, presently under progress.

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Sommario Questa è la prima di una serie di tre memorie dedicate all'analisi teorica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. La teoria è di natura generale, ma per concretezza viene applicata al caso specifico di un propellente solido composito per endoreattori. Lo scopo finale della ricerca è di definire le condizioni necessarie per la stabilità statica e dinamica della propagazione di onde eterogenee di deflagrazione. In questa prima memoria viene rivisto un modello abbastanza generale del problema basato su di una equazione differenziale alle derivate parziali. La fase gassosa è trattata secondo un modello di fiamma. Le ipotesi più importanti riguardano la quasi-stazionarietà della fase gassosa e lo spessore trascurabile dello strato reagente in fase condensata. Il modello cosi sviluppato costituisce il punto di partenza per una formulazione del problema basata su di una equazione differenziale ordinaria (seconda memoria), che permette di definire immediatamente le proprietà di stabilità di onde eterogenee di deflagrazione (terza memoria). Sono in corso di svolgimento le verifiche numeriche e sperimentali della teoria proposta.

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Support by CNPM (Centro di Studio per Ricerche sulla Propulsione e sull'Energetica) is gratefully aknowledged.