Modellazione numerica del comportamento meccanico di grafite porosa soggetta a fasci laser ad alta energia = Numerical modeling of the mechanical behaviour of porous graphite subject to high energy laser beams

Il futuro aggiornamento dell'acceleratore CERN LHC innalzerà l'energia raggiunta dai fasci di particelle, di conseguenza saranno necessari requisiti più stringenti per i collimatori, la cui funzione è proteggere il sistema in caso di impatti accidentali. I compositi a base grafite (come MoGr, CrGr, CFC) appartengono ai materiali presi in considerazione per la progettazione della nuova generazione di collimatori, quindi lo studio del comportamento meccanico della grafite in condizioni di alte velocità di deformazione è di particolare interesse. L'impatto con laser ad alta energia è una delle tecniche utilizzate per riprodurre tali condizioni di sollecitazione. Quindi, l'obiettivo principale di questa tesi è quello di sviluppare un modello numerico in grado di simulare il fenomeno. Nella prima parte dell'elaborato la complessità del problema verrà divisa nei suoi elementi fondamentali, ognuno dei quali verrà trattato nel dettaglio con l'intento di individuare gli aspetti che caratterizzeranno la simulazione. Verranno, quindi, presentati i seguenti argomenti: la deposizione di energia nel materiale dovuta all'interazione del laser con la materia, la propagazione delle onde di pressione generate dal impatto, il meccanismo di frattura denominato spalling e, infine, la struttura della grafite e come questa influenza le sue proprietà meccaniche. La seconda parte si concentra sulla definizione di un modello di materiale in grado di tenere in considerazione la porosità e il comportamento isteretico della grafite. In particolare vengono presentate le possibilità di modellazione disponibili sul software Ls-Dyna. Si è scelto di seguire due approcci differenti: il primo basato su di un'equazione di stato (EOS) che modella l'influenza della porosità, mentre il secondo sfrutta l'analogia che è possibile evidenziare tra le schiume di materiale polimerico e la grafite. Dopo aver descritto le caratteristiche generali di una relazione costitutiva per un materiale poroso, l'attenzione si sofferma sul modello P-alpha di Hermann. Quest'ultimo modifica l'equazione di stato del materiale denso tramite una legge che descrive l'evoluzione della porosità in funzione della pressione. La principale problematica associata a questa categoria è relativa alla difficoltà di introdurre l'isteresi nella fase di scarico del materiale, questo comporta una sovrastima della velocità delle onde di rilascio e quindi un erronea valutazione della velocità della superficie libera del materiale. Le schiume in Ls-Dyna sono frequentemente trattate tramite modelli iperelastici i cui dati di input sono curve di carico e scarico ottenute da prove uniassiali. Questo ci permettere di descrivere con accuratezza sia l'isteresi sia la compattazione del materiale. A questa categoria appartiene il modello MAT_FU_CHANG_FOAM che disaccoppia il comportamento nelle tre direzioni principali e quindi restituisce ottimi risultati in simulazioni mono-dimensionali. Invece, il modello MAT_SIMPLIFIED_RUBBER_FOAM permette di considerare un modulo di Poisson non nullo ma necessita di dati sperimentali che sono più complessi da ricavare per il caso in esame. Infine, i risultati ottenuti da ciascun modello verranno confrontati e discussi al variare dell'intensità della sorgente laser.