Analisi agli elementi finiti di soluzioni strutturali per vacuum balloons = Finite element analysis of structural solutions for vacuum balloons

La tesi si concentra sulla valutazione di soluzioni strutturali per la realizzazione di un guscio sferico rigido in grado di sollevarsi in volo per effetto della sola spinta aerostatica in seguito alla diminuzione della quantità di aria racchiusa al suo interno. Il guscio deve quindi possedere un peso limitato, ma anche presentare elevate caratteristiche di resistenza e rigidezza per evitare deformazioni plastiche permanenti e fenomeni di buckling dovuti al carico di compressione uniformemente distribuito sulla superficie del guscio per effetto della differenza di pressione tra gli ambienti esterno ed interno allo stesso. Il guscio si considera realizzato in lega di alluminio Al-7075 o in allumina Al2O3 e costituito da più tessere curve di forma pentagonale ed esagonale. Adottando come criteri di dimensionamento le ipotesi di quota zero e di vuoto assoluto all'interno del guscio, si sono eseguite analisi strutturali agli elementi finiti al fine di determinare il carico di buckling del guscio essendo questo il fenomeno maggiormente critico per l'integrità strutturale dello stesso. Un guscio sferico semplice in materiale isotropo, con spessore uniforme tale da consentire il galleggiamento in aria, appare caratterizzato da un valore di carico di buckling decisamente inferiore al carico distribuito al quale lo stesso è sottoposto nelle ipotesi adottate. Al fine di individuare una configurazione che a parità di peso consenta al guscio sferico di soddisfare il requisito di resistenza a buckling, si sono valutate diverse soluzioni strutturali basate sull'introduzione all'interno del guscio di irrigidimenti dislocati sulla sua superficie o di una seconda parete sferica in corrispondenza delle estremità libere degli stessi irrigidimenti. Tali soluzioni determinano però il manifestarsi di forme di buckling locali caratterizzate da carichi critici inferiori a quello proprio del guscio sferico semplice a causa della riduzione di spessore che esse comportano per la parete sferica esterna del guscio affinché il peso complessivo della struttura si mantenga costante e pari alla spinta aerostatica. L'utilizzo di un laminato multistrato sandwich, con cuore in schiuma polimerica, per la realizzazione della parete sferica del guscio si è invece rivelato una soluzione efficace in quanto i carichi di buckling ottenuti attraverso le analisi FEM sono in alcuni casi superiori al carico distribuito al quale il guscio è sottoposto nelle ipotesi di quota zero e di vuoto assoluto al suo interno.