Analisi FEM termica della Taxi Light di un velivolo da trasporto Airbus®

Introduzione 
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Figura I-1 Il velivolo da trasporto AIRBUS®. 
 
Capitolo 1 
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1 - La Taxi Light 
La Taxi Light1 è un particolare tipo di lampada a luce bianca montata sulle plance laterali della fusoliera 
del velivolo da trasporto AIRBUS®. È  alloggiata all’interno di una camera schermata e pressurizzata a 56 
kPa insieme alle “landing” e “take off lights”.(Figura 1-1). Viene impiegata quando l’aereo è a terra ed è 
utilizzata per effettuare le manovre di posizionamento nella pista di decollo e nelle aree di stazionamento. 
Presenta una struttura esterna in alluminio 2024 T6  composta da una parte inferiore ed una superiore 
serrate tramite collegamenti filettati. Sulla parte superiore viene montata la parabola riflettente in alluminio 
lucidato per aumentare la riflessione, e la lente di vetro tipo B 270 Superwite, mentre su quella inferiore è 
alloggiata la lampada allo xeno “Osram™ Xenarc D1S” con la necessaria circuiteria (Figura 1-2 pag. 20). 
La lente piano-concava permette al fascio collimato sulla parte interna di divergere e ampliare il campo di 
visibilità, che è dell’ordine dei due chilometri. La zigrinatura, inoltre, aumenta la diffusione della radiazione 
luminosa incidente, per incrementare l’angolo di visuale.  
  
 
Figura 1-1 Posizionamento della Taxi Light sull’A 400 M. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Le dimensioni della Taxi Light sono nel disegno costruttivo in Appendice E. 
Capitolo 1 
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Figura 1-2 Esploso della Taxi Light. 
 
1.1 - Obiettivo dell’analisi FEM 
L’analisi termica ha come scopo quello di ottenere, tramite la modellazione FEM in Ansys Multiphysics 
10.0®, la distribuzione globale di temperatura sulla struttura in alluminio esterna, sulla parabola riflettente, 
sul vetro e sulla base della Xenarc che contiene la circuiteria necessaria al funzionamento della stessa. 
La verifica verrà effettuata in funzione di una temperatura del bulbo della lampada allo xeno costante e 
pari a 320 °C e di una temperatura ambiente, anch’essa costante di 25 °C nei regimi stazionario e 
transitorio dopo due ore di funzionamento. La temperatura esterna rimane invariata grazie alla camera 
pressurizzata che accoglie la Taxi Light. Data la disponibilità di dati sperimentali derivanti dalle misure di 
temperatura effettuate da Sirio Panel, nelle stesse condizioni riprodotte in ambiente di simulazione Ansys 
Multiphysics®, si è ritenuto opportuno confrontare tali dati con i risultati della modellazione. Questo 
nell’ottica di dimostrarne una sostanziale coincidenza. 
1.2 - Metodologia di studio adottata 
I passi che hanno portato alla risoluzione del modello termico e di quello termostrutturale della Taxi Light 
sono: 
Capitolo 1 
19 
1. Semplificazione in ambiente CAD tramite l’utilizzo dei modellatori solidi CATIA®  e SOLIDWORKS®, 
al fine di agevolare la creazione della mesh di calcolo e la risoluzione del modello da parte del 
solutore. 
2. Importazione in ambiente ANSYS MULTIPHYSICS® del modello semplificato. 
3. Generazione dei contatti termici per simulare anche il comportamento di tutti gli elementi interposti 
tra le varie parti (guarnizioni). 
4. Risoluzione del modello in regime stazionario e transitorio 
5. Verifica delle temperature ottenute nei due regimi. 
6. Utilizzo delle temperature per la risoluzione del modello termostrutturale in cui vengono evidenziate 
le deformazioni indotte dalle temperature stesse. 
7. Confronto tra i risultati della modellazione termica e le misure di temperatura effettuate in azienda. 
 
Capitolo 2 
21 
2 - Il modello FEM 
In questo capitolo verrà affrontato il processo di creazione di un modello agli elementi finiti della Taxi 
Light in grado di rappresentarne al meglio il comportamento reale. Partendo dal modello CAD fornito 
dall’azienda vedremo come sarà possibile arrivare ad un modello FEM al quale potranno venir applicati 
gli opportuni carichi termici e condizioni al contorno. 
2.1 - Il software Ansys Multiphysics 10.0® 
La creazione e la risoluzione delle modello FEM è avvenuta tramite il solutore Ansys Multiphysics 10.0®. 
Il software permette ampia libertà  nella discretizzazione dei volumi e nella modellazione dei fenomeni 
termodinamici. È possibile creare mesh con elevato “grid clustering” non strutturate e tramite contatti 
termici connetterle a mesh strutturate in cui il “grid clustering” è basso e viceversa. Inoltre il problema 
dell’irraggiamento può venir affrontato in quattro diversi modi che verranno descritti nel capitolo 
riguardante appunto la modalità di scambio termico radiativo. Il solutore necessità anche del settaggio di 
tutti i coefficienti necessari alle equazioni di convezione ed irraggiamento da calcolare “manualmente”. Il 
vantaggio rispetto al calcolo in automatico, come avviene in Ansys Workbench®, è il controllo elevato che 
si ha sulla soluzione finale. Lo svantaggio è, a volte, la difficoltà di determinare tali coefficienti perché 
sono funzioni della soluzione stessa, la temperatura. 
2.2 - Dal CAD al FEM 
Come espresso in precedenza il processo che porta alla modellazione della Taxi Light attraverso gli 
elementi finiti si compone di due fasi: 
1. Semplificazione in ambiente CAD 
2. Importazione in ambiente ANSYS MULTIPHYSICS® 
Nella fase di semplificazione sono state eliminate dall’assieme tutte le parti non strutturali e ciò è dovuto a 
due esigenze: 
1. L’analisi termica effettuata non comprende i componenti elettrici. 
2. L’assieme di partenza è composto da molte parti e l’eliminazione di alcune rende l’assieme più 
gestibile sia in fase di importazione in ANSYS® che in quella di modellazione FEM, senza che si 
comprometta l’accuratezza della soluzione. 
Nella fase di importazione in ambiente ANSYS MULTIPHYSICS® non si è riscontrato alcun problema. 
L’unica accortezza da utilizzare è quella di verificare l’ordine di grandezza dell’unità di misura spaziale al 
fine di non incorrere in errori quando si vanno a definire, ad esempio, le proprietà dei materiali. È noto 
Capitolo 2 
22 
infatti che il solutore Ansys Multiphysics 10.0 necessità solamente di coerenza tra le unità di misura non 
adottando un sistema di misura predefinito.  
2.2.1 - Semplificazione in ambiente CAD 
Per la semplificazione in ambiente CAD sono stati utilizzati i modellatori solidi CATIA V5R15® e 
SOLIDWORKS 2006®. Attraverso il software CATIA® si sono eliminate tutte le parti non strutturali quali:  

 cablaggio 

 valvole 

 membrane  

 connettori  
Si è deciso anche di non considerare tutte le viti ed i bulloni in quanto non necessari per la soluzione 
globale del campo di temperature. Discorso a parte va fatto per le guarnizioni del vetro, della struttura 
esterna in alluminio e per la piastra interposta tra la base della lampada “Xenarc D1S” e la scatola 
inferiore della struttura stessa (Figura 1-2 Esploso della Taxi Light). Queste non compaiono nell’assieme 
che verrà importato in Ansys® ma verranno comunque modellate all’interno dei contatti termici attraverso 
il calcolo della “Thermal Contact Conductance”. In accordo con Sirio Panel s.p.A. si è deciso anche di 
semplificare alcune parti dell’assieme iniziale. Questo per facilitare il processo di creazione della griglia di 
calcolo. Si è riscontrato infatti che se sono presenti dei volumi con superfici complesse o in cui alcune 
aree sono molto più piccole in dimensioni rispetto ad altre, Ansys Multiphysics® non riesce sempre a 
creare la mesh volumetrica, o anche se viene creata, presenta spesso degli “shape warnings”, ossia delle 
irregolarità nella struttura degli element type. Si è cercato quanto più possibile di evitarli per non 
compromettere la veridicità della soluzione finale. Le modifiche hanno riguardato:  

 La scatola inferiore della struttura in alluminio. 

 La lente di vetro. 

 La base contenente la circuiteria della lampada Xenarc D1S. 

 La piastra di supporto della Xenarc D1S 

 Il bulbo 
Per quanto riguarda la scatola inferiore sono stati eliminati i due incavi ed è stata semplificata la 
geometria dei supporti interni della Xenarc. La lente di vetro è stata modellata eliminando la zigrinatura 
interna. Sostanzialmente si è creata una piastra circolare avente spessore di 4 mm. La base della Xenarc 
è stata riprodotta come un cilindro avente le stesse dimensioni della struttura originale. Infine nel bulbo, 
modellato anch’esso come un cilindro, è stato eliminato il circuito contenente il gas di scarica (Figura 
2-1eFigura 2-2). 
Capitolo 2 
23 
 
Figura 2-1 Modello Catia della Xenarc. 
 
Figura 2-2 Modello CAD della Xenarc. 
2.3 - Generazione del modello  
Il modello agli elementi finiti (FEM) è il risultato della discretizzazione, in ambiente ANSYS 
MULTIPHYSICS®, del mezzo continuo rappresentato dall’insieme di volumi costituenti la Taxi Light. La 
discretizzazione avviene tramite la creazione di una griglia di calcolo o “mesh” costituita da nodi ed 
elementi di interconnessione tra essi. Ad ogni nodo, oltre alle proprietà fisiche, meccaniche e 
termodinamiche vengono anche assegnati dei gradi di libertà che nel caso dell’analisi termica si riducono 
ad uno: la temperatura. La risoluzione del campo di temperatura è avvenuta scegliendo di realizzare un 
modello costituito da elementi solidi. Questa scelta è stata dettata essenzialmente dal fatto che 
l’elemento 3D approssima meglio la struttura reale di un volume di materiale rispetto a quanto non faccia, 
ad esempio, una mesh ad elementi planari di tipo “shell” dove, peraltro, è necessario che una dimensione 
sia molto inferiore rispetto alle altre due. Ciò è utile anche per analizzare i gradienti termici all’interno dei 
volumi funzione della conducibilità termica dei materiali. Per quanto riguarda le unità di misura, dal 
momento che il modello è stato importato con le dimensioni espresse in metri [m], il sistema utilizzato è il 
SISTEMA INTERNAZIONALE (SI).(tabella 2-1 di pagina 23). 
 
 
 
Capitolo 2 
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Tabella 2-1 Unità di misura adottate. 
Unità di misura   
Lunghezza metri m  
Massa chilogrammi kg  
Tempo secondi s  
Temperatura Kelvin K  
Calore Joule 
[ ]
s
mkg
J
2
×
=  
Potenza Watt [ ]
s
JW =  
Forza Newton 
[ ]
2
s
mkgN ×=  
Pressione Pascal 
[ ]
2m
N
Pa =  
 
2.3.1 - Scelta degli element type 
Gli “element type” termici utilizzati per la generazione della mesh solida sono i seguenti: 

 SOLID 902. Parabola riflettente, vetro, bulbo della Xenarc D1S. 

 SOLID 87. Tutti gli altri volumi costituenti la Taxi Light 
Si è fatto uso, inoltre, dell’elemento LINK 31 che simula gli scambi termici radiativi lampada – 
paraboloide, lampada - vetro, paraboloide – vetro. L’elemento SOLID 90 è stato scelto per la creazione di 
una mesh strutturata. Questo particolare tipo di mesh presenta il vantaggio di occupare meno spazio in 
memoria rispetto ad una non strutturata, creata con Solid 87, che necessita di una matrice di continuità 
per localizzare i nodi nel dominio di calcolo. La scelta della mesh mappata si è resa necessaria per 
modellare l’irraggiamento. I motivi di questa decisione verranno spiegati dettagliatamente nel capitolo 3.  
 
 
2. Vedi APPENDICE B sugli element type utilizzati.