sistema di modellazione ad elementi finiti per ingranaggi a fianchi
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SISTEMA DI MODELLAZIONE AD ELEMENTI FINITI PER INGRANAGGI A FIANCHI ASIMMETRICI Giulio Di Francescoa, Mauro Linarib, Stefano Marinia a Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale, Università degli Studi di Roma Tre, Via della Vasca Navale, 79 - 00146 Roma, e-mail: [email protected] b MSC Software Italia, Resp. Product Support per l’Italia (Nastran, Patran, Marc, Laminate Modeler) V.le Città d’Europa, 681- 00144 Roma, e-mail: [email protected] SOMMARIO Viene brevemente ricordata la correlazione tra affidabilità del calcolo strutturale ed il rispetto delle condizioni ben precise che occorre considerare nella formulazione della mesh in cui viene suddivisa la struttura da analizzare. E’ preso in considerazione il particolare caso di dentature asimmetriche, divenute di recente di notevole interesse industriale soprattutto in campo aeronautico: si procede quindi all’utilizzo di avanzati e diffusi software di discretizzazione e calcolo strutturale ed è evidenziata la difficolta’ degli stessi a rispondere in modo semplice alle suddette esigenze. Si procede quindi alla descrizione di un programma appositamente studiato e sviluppato per la modellazione automatica di dentature asimmetriche. Vengono infine confrontate le mesh ottenute con gli attuali software e la mesh ottenuta con il programma automatico specificatamente studiato e messo a punto per dentature asimmetriche. ABSTRACT A brief mention is made of the correlation between the reliability of structural calculus and the observance of the very specific conditions that need to be taken into account in the formulation of the mesh into which the structure to be analysed is subdivided. The specific case of asymmetrical toothings, which have recently aroused great interest on the part of the industry, especially the aeronautical one, is taken into consideration. The most advanced and popular discretization and structural calculus software programmes are then applied and the poor satisfaction of the above said needs on the part of the latter is highlighted. Subsequently, a description of an ad hoc programme studied and developed for the automatic design of asymmetrical toothings is provided. Finally, a comparative study is conducted on the mesh obtained through the current software programmes and those obtained through the ad hoc automatic programme designed and finetuned specifically for asymmetrical toothings. 1. INTRODUZIONE La recente introduzione nel mondo industriale di ruote dentate con denti caratterizzati da profilo asimmetrico dei fianchi trova una sempre più rapida diffusione per i notevoli vantaggi di carattere strutturale rispetto ai tradizionali denti a fianchi simmetrici; detti vantaggi consistono essenzialmente nella possibilità di ridurre, a parità di potenza, pesi e dimensioni di ingranaggi nel caso in cui la coppia venga trasmessa preferenzialmente in un unico verso. Per lo specifico caso di denti a profilo asimmetrico non sono applicabili le procedure di calcolo messe a punto, e già da tempo standardizzate a livello internazionale, per i denti simmetrici; si considera pertanto indispensabile sviluppare una approfondita analisi strutturale su detta nuova tipologia di ruote dentate. Per poter sviluppare la suddetta analisi strutturale agli elementi finiti, occorre disporre di uno strumento di modellazione adeguato, da studiare specificatamente per detta particolare struttura asimmetrica. Obiettivo del presente lavoro è pertanto lo studio di una procedura di modellazione (da non confondere con la procedura di calcolo) del tutto generale per giungere, per il dente asimmetrico, ad una modellazione automatica che sia di immediato ed agevole utilizzo per studiosi e progettisti del settore interessati a questa nuova e specifica tipologia di ruote dentate. 2. CONDIZIONI AL CONTORNO Al fine di giungere alla modellazione dell’elemento strutturale in esame, occorre innanzitutto tracciarne il profilo a partire dai parametri geometrici sia della dentatura che dell’utensile utilizzato per il taglio. E’ innanzitutto necessario individuare con precisione la zona di ruota dentata da sottoporre ad analisi strutturale. Come noto, al fine di approfondire l’analisi strutturale del dente, soprattutto nelle zone situate in corrispondenza ai raccordi di base, è necessario procedere, in dette zone, ad una discretizzazione molto fitta; ciò si ripercuoterebbe, però, nella necessità di discretizzare in maniera molto fitta tutta la ruota, con evidenti implicazioni di carattere operativo ed economico. Per questo motivo, lo studio viene suddiviso in due fasi: - una preliminare analisi tridimensionale su tutta la struttura della ruota dentata adottando una discretizzazione non molto fitta; ciò consente di individuare una zona più ristretta, contenente il dente in presa ed interessata in maniera significativa dalle sollecitazioni agenti sul dente stesso; - un’analisi approfondita, con discretizzazione più fitta della zona più ristretta individuata nella prima fase. In tal modo, individuata la zona di ruota dentata da sottoporre ad analisi strutturale approfondita, si procede al tracciamento automatico del suo contorno comprendente sia il profilo della dentatura che la zona strutturale di una quota parte di ruota dentata interessata al cimento meccanico durante l’esercizio. Il contorno di detta zona viene stabilito congiungendo i nodi il cui spostamento risulta, nella preliminare citata analisi tridimensionale, al di sotto di un valore ritenuto non sensibile; il parametro utilizzato per l’individuazione di quest’ultimo (“valore ritenuto non sensibile”) è rappresentato dal rapporto tra la differenza dello spostamento di due nodi contigui e la distanza tra gli stessi. 3. INDIVIDUAZIONE DELLA STRUTTURA Il contorno della zona strutturale da studiare può essere considerato composto da due tratti: uno interno alla ruota ed individuato come sopra descritto, e l’altro (profilo del dente) costituito dalle troncature interna ed esterna, dai profili ad evolvente di cerchio diversi tra loro per i due fianchi del dente e dai profili di raccordo al piede anch’essi diversi tra loro. Dopo aver individuato, come descritto nel paragrafo precedente, il primo tratto (confine di separazione tra la zona interna alla ruota ed il resto della ruota dentata), occorre ora individuare con precisione il secondo tratto e cioè il profilo esterno su descritto. A parte le troncature interna ed esterna che sono semplici archi di circonferenza, il profilo dei fianchi del dente viene descritto da quattro curve: - due evolventi di cerchio, le cui equazioni parametriche sono, per ognuno dei due fianchi: ρ 1, 2 = re 1, 2 = rb 1, 2 cos α e 1, 2 ; ε 1, 2 = inv α e1, 2 Dove αe1, 2 rappresenta, come noto, l’angolo di incidenza in corrispondenza di un generico punto dell’evolvente 1 e dell’evolvente 2, ρe1, 2 ed εe1, 2 le coordinate polari del punto stesso. - due raccordi alla base diversi tra di loro (ognuno inviluppo delle circonferenze di raggio pari al raggio ρa0 di arrotondamento dello spigolo di sommità dell’utensile ed aventi centro sulla curva trocoide descritta dal centro di arrotondamento stesso durante la fase di taglio; curva trocoide nel caso di utensile con spigolo non arrotondato) le cui equazioni parametriche sono: ρr1,2 = ρt21,2 + ρa20 − 2ρt1,2 ⋅ ρa0 ⋅ senψ t1,2 dove ψ t1,2 = arctg (ρ t1, 2 ⋅ dδ t1, 2 dρ t1, 2 ) Si precisa che ρr1,2 rappresenta la coordinata polare di un generico punto del raccordo relativo al fianco 1 ed al fianco 2, cioè la sua distanza dal centro della ruota e ψt1,2 rappresenta l’angolo tra la tangente alla trocoide in un punto (trocoide descritta dal centro di arrotondamento durante la fase di taglio) e la congiungente lo stesso con il centro della ruota, sempre relativamente al fianco 1 ed al fianco 2; ρt1,2. rappresenta invece la coordinata polare assunta corrispondentemente dal centro dell’arrotondamento dell’utensile e δt1,2 è l’anomalia del punto generico della trocoide rispetto all’asse di simmetria della trocoide stessa. Nel caso di utensile a spigolo non arrotondato, ovviamente: ρa0 = 0. Delle suddette quattro curve (evolvente più raccordo per un fianco, evolvente più raccordo per l’altro fianco) vengono individuate le coordinate polari di un numero di punti dipendente dalla discretizzazione che si desidera ottenere per lo sviluppo dell’analisi strutturale. I punti sui due diversi fianchi del dente, possiedono i medesimi valori della coordinata radiale: ρ1i = ρ2i ; per ottenere ciò è stato necessario sviluppare una apposita procedura iterativa che consente, una volta scelti i punti sul primo fianco di dente, di individuare, sull’altro fianco, le coordinate dei punti corrispondenti caratterizzati dallo stesso valore di ρ. In definitiva, attraverso la suddetta procedura, è possibile individuare il contorno della zona su cui effettuare lo studio per la sua discretizzazione automatica ottimizzata, fig. 1. A titolo di esempio, nel presente lavoro le figure si riferiscono tutte ad una ruota dentata cilindrica a denti diritti, a proporzionamento modulare, avente le seguenti caratteristiche principali: modulo m = 2 mm , numero di denti z = 20 , angoli di pressione per i due fianchi: α01 = 20° , α02 = 26°. 4. MODELLAZIONE ATTRAVERSO GLI ATTUALI SOFTWARE I più avanzati software di calcolo strutturale sono dotati di procedure di modellazione che consentono di creare automaticamente la mesh utile per la successiva fase di calcolo; tanto più risulta affidabile la mesh così creata, tanto più sarà possibile ottenere risultati di calcolo corrispondentemente affidabili, con tempi e costi limitati. Per poter prendere visione del tipo di mesh generata in automatico dai suddetti software, si è proceduto all’inserimento, in questi ultimi, di svariate geometrie di dente asimmetrico. In tal modo è possibile esaminare le mesh così ottenute e valutarne l’efficacia per il successivo calcolo strutturale; le mesh ottenute evidenziano però la necessità di apportare, volta per volta, modifiche anche sensibili, con conseguente aggravio di impegno, tempi e costi. Per il profilo di dente asimmetrico di fig.1, con alcuni attuali importanti ed avanzati software sono state generate le mesh riportate nelle figure 2, 3. La fig. 2 si riferisce alla discretizzazione ottenuta utilizzando il software ANSYS. La fig. 3 si riferisce invece alla discretizzazione ottenuta utilizzando il software FEMAP. In entrambi i casi, per i vari tratti del contorno della zona strutturale, è stato utilizzato lo stesso numero di suddivisioni. File: dente20°26° Fig. 1: contorno della zona da sottoporre ad analisi strutturale Come si può rilevare, per il caso particolare di dentature a profilo asimmetrico, gli attuali sistemi di modellazione, essendo di carattere generale, risultano indubbiamente migliorabili per il raggiungimento della necessaria precisione per la successiva fase di calcolo. Le mesh non risultano infatti soddisfacenti soprattutto in alcune zone caratterizzate da brusche variazioni della discretizzazione e da evidenti gravi distorsioni del reticolo. Inoltre le zone caratterizzate da un reticolo più fitto ed omogeneo spesso non sono quelle soggette al cimento meccanico più gravoso. 5. SISTEMA DI MODELLAZIONE PER DENTI ASIMMETRICI Sulla base dei risultati sopra esposti ed ottenuti con l’utilizzo di software di modellazione aventi carattere generale, si può desumere la necessità di effettuare di volta in volta correzioni alla mesh; ciò per poterla adeguare alle particolari esigenze di un calcolo strutturale automatico dedicato specificatamente a detto tipo di dentatura asimmetrica. A volte infatti, su alcune mesh così ottenute occorrerebbe infittire o diradare il reticolo in alcune zone; in altre zone potrebbe essere necessario intervenire per contenere eventuali distorsioni o irregolarità del reticolo stesso. L’ottimizzazione del reticolo, oggetto del presente lavoro, consente di giungere ad una maggiore affidabilità di calcolo strutturale, a parità di numero di elementi costituente la mesh; oppure, pur mantenendo una adeguata affidabilità, è possibile puntare ad una riduzione dei tempi di calcolo. 5.1 Caratteristiche della modellazione La struttura viene innanzitutto suddivisa attraverso un sistema di “paralleli” e di “meridiani”. Ogni parallelo è costituito da una curva le cui estremità sono situate, sui due fianchi del dente, in punti di uguale raggio dal centro della ruota: ρ1i = ρ2i . L’inizio e la fine di ogni parallelo deve risultare, con la desiderata ed imposta approssimazione, perpendicolare alla tangente al profilo dei fianchi dei denti in ognuno dei generici punti “i” di cui sopra. Nelle ruote dentate tagliate con una forte interferenza ogni fianco di dente presenta un profilo in cui è presente una convessità in corrispondenza al tratto di evolvente ed una concavità in corrispondenza al profilo di raccordo, generando in tal modo un punto angoloso. Al di sopra di detto punto, i “paralleli” hanno curvatura rivolta verso il basso, al di sotto hanno curvatura rivolta verso l’alto. Ciò comporta che, in prossimità di detta zona, i “paralleli” tendono ad avvicinarsi in corrispondenza della mezzeria del dente, generando una disomogeneità sensibile nel proporzionare gli elementi centrali della discretizzazione: detti elementi risultano infatti stretti radialmente ed allungati circonferenzialmente. Per ovviare a detto inconveniente, il software studiato evita l’indesiderato addensamento eliminando uno o più dei “paralleli” calcolati in prima istanza, e programmando una risuddivisione radiale della sezione del dente attraverso i paralleli utili individuati come sopra descritto. A causa dell’asimmetria del dente, insorge un altro problema: punti di uguale quota radiale ρi relativi alle estremità di un parallelo, possono, su un fianco, trovarsi sul profilo ad evolvente, sull’altro fianco trovarsi invece sul profilo di raccordo; in questo caso, la curva del parallelo è costituita da due tratti con curvature di segno opposto. Il programma di modellazione studiato e messo a punto nel presente studio realizza la continuità di detti due tratti attraverso un punto di flesso in cui è comune la tangente dei due tratti stessi. Da quanto sopra si evince che i “paralleli” non possono essere dei semplici archi di circonferenza, bensì curve complesse che vengono individuate, definite e descritte automaticamente volta per volta. Su ognuno degli “n” paralleli vengono individuati “m” punti (1, 2, … j ... m-1, m) opportunamente distanziati tra di loro. Per ogni punto passa un meridiano. Il numero di meridiani che verranno tracciati corrisponde quindi al numero dei punti in cui è stato suddiviso ogni parallelo. Ogni meridiano è costituito da una curva passante per tutti i punti di stesso generico indice j, posti su ognuno degli “n” paralleli considerati. Con la procedura descritta viene generato un primo reticolo di base successivamente elaborato ed ottimizzato in automatico dal programma studiato e messo appositamente a punto. La procedura matematica tiene infatti conto di numerosi fattori: un valore limite ammissibile per il rapporto tra la lunghezza dei lati di un singolo elemento, un valore limite ammissibile per l’angolo compreso tra due lati consecutivi di ogni elemento, un infittimento del reticolo in prossimità dei raccordi di base, un infittimento del reticolo passando dall’interno del dente alle zone di superficie, etc. Una generalizzazione di modellazione per detto tipo di dentatura, non risulta in realtà né immediata né semplice. Fig.2 : modellazione ottenuta attraverso software ANSYS File: dente20°26° File: dente20°26° Fig.3 : modellazione ottenuta attraverso software FEMAP File: dente20°26° Fig. 4 Discretizzazione automatica ottenuta in base al presente studio In sintesi, i dati di input necessari per la modellazione automatica sono: a) dati geometrici della dentatura suddivisibili in: - dati di base: z, m, α01 , α02 . - dati supplementari specifici (in assenza dei quali il programma utilizza i parametri standard modulari): spostamento dei cerchi, raggio di troncatura esterna, addendum dell’utensile e suo raggio di arrotondamento di testa. b) dati relativi alla discretizzazione: - numero di suddivisioni sul profilo; - zone del profilo su cui effettuare infittimento dei “paralleli”; - valore dell’infittimento dei “paralleli”: rapporto tra la minima e la massima distanza tra due punti consecutivi di suddivisione del profilo; - numero di suddivisioni del singolo “parallelo”; - zona del “parallelo” su cui effettuare l’infittimento dei meridiani; - valore dell’infittimento dei “meridiani”: rapporto tra la minima e la massima distanza tra due punti consecutivi di suddivisione del “parallelo”. Come è possibile notare, la discretizzazione ottenuta, avendo tenuto conto dei fattori di cui sopra, risulta rispondere alle particolari caratteristiche geometriche, strutturali e tensionali della struttura asimmetrica della dentatura oggetto di studio. L’infittimento del reticolo risulta molto graduale ed opportunamente focalizzato in corrispondenza delle zone maggiormente tensionate. La mesh di fig. 4 è stata ottenuta in modo del tutto automatico senza la necessità di ulteriori interventi di miglioramento (questi ovviamente sono peraltro sempre possibili così come per qualunque altra mesh generata automaticamente). Dunque il progettista industriale, una volta individuato il contorno della zona strutturale da esaminare, in funzione dei particolari campi sollecitanti agenti sulla dentatura (ruote dentate di trasmissione, ruote dentate per pompe e motori ad ingranaggi immerse in un campo sollecitante con aggiunta del carico oleostatico dovuto all’olio in pressione, etc.), può scegliere le zone ove far effettuare in automatico l’infittimento del reticolo. 6. CONCLUSIONI La procedura matematica studiata e sviluppata nel presente lavoro per la modellazione automatica di dentature asimmetriche, rappresenta una valida alternativa all’utilizzo dei più diffusi ed avanzati software di calcolo che, dotati di procedure di modellazione preliminari alla successiva fase di calcolo strutturale, consentono di creare automaticamente la mesh. Per lo specifico caso in esame di dentature asimmetriche, detta mesh necessita generalmente di ulteriori ed impegnativi affinamenti. Infatti alcune zone della struttura presentano brusche variazioni della discretizzazione ed evidenti distorsioni del reticolo; inoltre le zone caratterizzate da un reticolo più fitto ed omogeneo spesso non corrispondono a quelle soggette al cimento meccanico più gravoso. La procedura studiata e messa a punto per giungere alla modellazione automatica di una dentatura asimmetrica caratterizzata da tratti diversi per un fianco del dente rispetto all’altro fianco dello stesso dente, ha caratteristiche di ampia generalità e risponde in modo adeguato alla necessità di una modellazione affidabile da cui è possibile ottenere risultati di calcolo corrispondentemente affidabili, con tempi e costi limitati. La procedura risulta di immediato ed agevole utilizzo per studiosi e progettisti del settore interessati a questa nuova e specifica tipologia di ruote dentate. Il suo modello matematico, di cui in appendice sono riportati gli schemi di due significative sezioni, presenta una certa complessità in quanto tiene conto dell’elevato il numero di parametri in gioco nonché delle numerose problematiche da risolvere per giungere al procedimento automatizzato. Detta complessità dipende soprattutto dalla necessità di generalizzare il problema. Per la procedura studiata si è infatti dovuto tenere conto della diversità dei tratti sull’uno e sull’altro lato del dente nonché degli eventuali punti angolosi (particolarmente significativi nel caso di forte interferenza per utensili a spigolo vivo) di intercetta tra evolvente e raccordo e della necessità di realizzare, attraverso opportuni “paralleli”, un corretto collegamento tra punti corrispondenti posti sui due fianchi del dente; ciò nel rispetto delle condizioni base necessarie per un’ottimale meshatura dell’elemento strutturale: valori limite ammissibili per forma e proporzioni dei singoli elementi, infittimento del reticolo in prossimità dei raccordi di base e passando dall’interno del dente alle zone di superficie, etc. Le caratteristiche di generalizzazione del modello matematico studiato e messo a punto, consentono dunque di procedere ad una affidabile discretizzazione per i più svariati casi possibili che si possono presentare per le diversificate tipologie di ruote caratterizzate da dentatura asimmetrica. BIBLIOGRAFIA [1] G. Di Francesco, S. Marini, ”Ruote dentate caratterizzate da denti a profilo asimmetrico”. Convegno Nazionale AIAS, Parma, Tip. Benedettina, 1995, Parma [2] G. Di Francesco, S. Marini, “Structural analysis of tooth having an asymmetrical winding profile”. Convegno Nazionale AIAS, Ed. Salentina Galatina, Gallipoli Lecce, 1996 [3] G. Di Francesco, S. Marini, “Structural Analysis of Asymmetrical Teeth : Reduction of Size and Weight” Gear Technology, Randall Publishing inc. Sept- Oct. 1997, Elk Grove Village IL. U.S.A.1997 [4] G. Di Francesco, S. Marini, “Dentature asimmetriche: evoluzione e procedura analitica per il dimensionamento” Milano - Organi di Trasmissione, Tecniche Nuove, 1998 [5] MSC Software Italia: Nastran, Patran, Marc, distribuiti per l’ Italia dalla MSC. Software V.le Città d’Europa, 681- 00144 Roma [6] F. L. Litvin, Theory of Gearing, NASA Reference Publication 1212, AVSCOM Techical Report, 1989 [7] D. W. Dudley, D.P. Townsend, Dudley’s Gear Handbook, MC Grow-Hill. Inc., USA, 1996 [8] R. L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey,Columbus, Ohio, 1999 APPENDICE A titolo di esempio si riportano i flow-charts di due tra le più significative sezioni del software studiato: una di generazione di base dei “paralleli” e l’altra dei “meridiani”, successivamente affinate con altre sezioni, per brevità non riportate, del software stesso. numero di intervalli N Suddivisione di primo orientamento IC=20⋅N/150; IR=50⋅N/150; IFA=75⋅N/150; IT=5⋅N/150; ITOT=IR+IFA; IRI=IC+1; IFAS=IC+IRI+IFA Indice punto di massimo infittimento Im Rapporto di infittimento ω Calcolo S1 ed S2 Y η= R(IFAS) – R(IRI) IFAS-IRI+ N Im < ITOT / 2 R(IFAS) – R(IRI) η= (S1+S2)⋅(ω-1) IFAS-IRI+ IFAS-Im-1 K=(ω-1) (S1+S2)⋅(ω-1) Im-IRI-1 ⋅η/(IFAS-Im-1) i = IRI + 1 R(i) = R(i-1) + η + (Im-i) ⋅ K Calcolo coordinate sul profilo in corrispondenza di R = R(i) i < Im Y i=i+1 N i=i+1 R(i) = R(i-1) + η + (i-Im-1) ⋅ K Calcolo coordinate sul profilo in corrispondenza di R = R(i) Y i < IFAS N END j=0 ; Sa=0 ; Sb=0 Xs(i) ; Xd(i) ; Y η ; Nx ; Imx ( Xd(i) – Xs(i) )/η > Nx N ERROR Sa = Sa + j Y j < Imx - 1 END j = j+1 N j = 0 Sb = Sb + j Y j<Nx/2 - Imx - 1 j = j+1 N Kx = ( Xd(i) – Xs(i) - Nx⋅η )/(2⋅Sa + 2⋅Sb) Xm = ( Xd(i) – Xs(i) ) / 2 Xs(i,1) = Xm - η - ( Imx - 1 ) ⋅ Kx ; Xd(i,1) = Xm + η + ( Imx - 1 ) ⋅ Kx j = 2 Xs(i,j) = Xs(i,j-1) - η - (Imx - j) ⋅ Kx ; Xd(i,j) = Xd(i,j-1) + η + (Imx - j) ⋅ Kx j < Imx Y j = j+1 N Xs(i,j) = Xs(i,j-1) - η - (j - 1 - Imx) ⋅ Kx ; Xd(i,j) = Xd(i,j-1) + η + (j – 1 - Imx) ⋅ Kx j = Nx/2 N j = j+1 Y END Im = indice punto di massimo infittimento di paralleli ω = rapporto tra massima e minima concentrazione di paralleli IC, IR, IFA, IT = numero di suddivisioni per la circonferenza interna, raccordo di base, fianco attivo, troncatura esterna S1 = 1 + 2 + …+ (IFAS – Im – 1) S2 = 1 + 2 + …+ (Im – IRI – 1) K = incremento tra due intervalli adiacenti R(i) = coordinata polare del generico punto i-esimo IRI = indice del primo punto sul raccordo di base IFAS = indice del punto di sommità η = minima distanza tra punti di suddivisione successivi Xs(i) , Xd(i) = coordinata del generico punto i-esimo sul profilo di sinistra e di destra Nx = numero di suddivisioni del generico parallelo Xm = coordinata del punto medio del parallelo Kx = incremento tra due intervalli adiacenti sul generico parallelo Imx = indice del punto di massimo infittimento di meridiani Sa = 1 + 2 + …+ (Imx – 1) Sb = 1 + 2 + …+ (Nx/2 – Imx – 1) Il generico nodo (i, j) è individuato dall’intersezione del parallelo i e dal meridiano j, con 1 <= i <= Itot e 1 <= j <= Nx .