Modelli multiscala per analisi igro-termo-elastica di strutture e materiali compositi eterogenei = Multiscale models for the hygro-thermo-elastic analysis of heterogeneous composite materials and structures

Negli ultimi decenni l’impiego dei materiali compositi si è largamente diffuso nel settore aerospaziale, in quanto il loro utilizzo consente di ottenere un ottimo compromesso tra la necessità di riduzione di peso e l’esigenza di raggiungere elevate performance meccaniche, garantendo il mantenimento dell’integrità strutturale. Fra le strutture realizzate in composito troviamo, ad esempio, le box che contengono i costituenti elettronici e i sistemi di protezione termica, entrambi presenti nei satelliti e alcune parti delle strutture alari dei velivoli. Questi componenti sono principalmente soggetti a carichi di natura meccanica, termica ed igroscopica, che possono provocare sollecitazioni tali da comprometterne il funzionamento. Di conseguenza, è necessario sviluppare accurati modelli di simulazione strutturale in grado di predire il comportamento meccanico delle strutture al fine di valutare potenziali situazioni critiche. Come ben noto, i materiali compositi sono costituiti da due elementi fondamentali: matrice e rinforzo. Questa caratteristica li rende totalmente differenti rispetto alle leghe metalliche maggiormente utilizzate nel settore aerospaziale. In generale, si possono identificare due differenti scale di interesse. La prima è la scala microscopica, che si riferisce al livello dei costituenti. La seconda è la scala macroscopica, la quale permette di osservare il componente in composito nel suo insieme. Tale natura multi-scala introduce un notevole livello di complessità nella simulazione del comportamento meccanico dei componenti, in quanto è necessario ottenere un certo livello di coerenza tra le due scale per eseguire accurate analisi. Per quest’ultime è fondamentale estrapolare le caratteristiche effettive del materiale osservandolo a livello microscopico. Con il seguente lavoro di tesi è stato possibile implementare un codice di calcolo per un modello micromeccanico che consente di ricavare proprietà termo-elastiche di diverse tipologie di compositi, quali coefficiente di espansione termica e calore specifico, attraverso una omogeneizzazione delle proprietà dei costituenti. Per fare questo, è stata impiegata la ben nota Carrera Unified Formulation (CUF) attraverso la quale è possibile definire un modello trave unidimensionale in cui l’utilizzo delle funzioni di espansione di tipo Hierachical Legendre Expansions (HLE) per descrivere la sezione trasversale consente di creare un modello geometrico caratterizzato da una formulazione non iso-parametrica capace di garantire un’analisi precisa e affidabile. In questo contesto la CUF viene accoppiata alla teoria del Mechanics of Structure Genome (MSG) per creare il modello micromeccanico. Inoltre, introducendo un carico meccanico e termico a livello macroscopico, un secondo step di deomogeneizzazione permette di recuperare l’andamento delle tensioni e delle deformazioni che si registrano a livello locale tra matrice e fibra. Allo stesso modo è possibile ricavare le caratteristiche di conducibilità termica omogeneizzate e il flusso di calore che si ottiene localmente a seguito di una variazione di temperatura sulla struttura. In seguito, sfruttando l’analogia tra la legge di Fourier e la legge di Fick è stato possibile implementare il calcolo delle caratteristiche igrotermiche di diffusività e ricavare il flusso di umidità locale. Infine, si è mostrata una prima applicazione di analisi multi-scala per il calcolo delle proprietà termo-elastiche inserendo i risultati dell’analisi micromeccanica all’interno del modello macroscopico.