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PROGRAMMA DI RICERCA 2007

italiano - english
Unità di Ricerca
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Parole Chiave
MATERIALI ETEROGENEI, INTERAZIONI MULTIPLE IN ELASTICITÀ E PLASTICITÀ, MODELLI GERARCHICI IN MECCANICA DELLE STRUTTURE, MODELLI NUMERICI PER PROBLEMI MULTI-SCALA, TECNICHE DI OMOGENEIZZAZIONE

Problemi multi-scala con interazioni complesse nell’ingegneria strutturale

Politecnico di Milano
Abstract
I mezzi di calcolo attualmente a disposizione di ricercatori e progettisti permettono la simulazione e comprensione di comportamenti meccanici complessi, che coinvolgono interazioni con fenomeni fisici di varia natura e tra elementi strutturali a scale anche molto diverse. Ne risultano una razionalizzazione ed un notevole aumento di velocità del processo di ideazione, progettazione e verifica e la possibilità di esplorare, almeno “virtualmente”, soluzioni fortemente innovative. L’Ingegneria Strutturale è una delle discipline che può trarre massimo beneficio dall’impiego di tali tecniche, con ricadute specialmente nell’Ingegneria Civile ed anche nell’Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale.

Alla base dell’utilizzo dei modelli di calcolo rimane comunque la formulazione di adeguate leggi di comportamento per i materiali e le strutture coinvolte nella progettazione e lo sviluppo di tecniche numeriche adatte al trattamento di situazioni ad elevata complessità, in grado quindi di interpretare correttamente comportamenti a diverse scale di indagine e di descrivere le diverse interazioni con l’ambiente circostante. In questa direzione si muove il presente progetto di ricerca.

I ricercatori hanno da tempo compreso che il miglioramento delle prestazioni di materiali e/o strutture si può efficacemente ottenere combinando materiali e/o elementi strutturali fra loro anche molto diversi e/o utilizzando gli stessi materiali in diverse forme. Si pensi all’uso di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
Alberto Corigliano Politecnico di MILANO
Obiettivo del Programma di Ricerca
Una delle sfide attuali nella Meccanica dei Solidi e delle Strutture è la descrizione del comportamento meccanico di strutture multi-scala, in cui elementi strutturali di dimensioni molto diverse sono gerarchicamente organizzati in sottostrutture per concorrere a formare prestazioni "globali" ottimali in termini di rigidezza e resistenza. Esempi di queste strutture si possono trovare nell'Ingegneria Civile ed in altri ambiti quali l’Ingegneria dei Materiali, Meccanica ed Aerospaziale.

Le potenzialità di materiali innovativi micro- e nano-strutturati non possono essere pienamente colte e sfruttate in assenza di efficaci modelli interpretativi e di corrispondenti metodi di calcolo che siano in grado di descrivere le diverse scale di comportamento. Modelli e metodi di analisi multi-scala sono in questo ambito strumenti indispensabili, come testimoniato dalla crescita esponenziale di lavori relativi a questi argomenti apparsi nella recente letteratura scientifica.

La presenza di gerarchie strutturali a scale diverse comporta spesso interazioni tra fenomeni diversi che si riflettono nella complessità di comportamento dei materiali che si manifestano alla micro e nano-scala. In micro e nano-sistemi è spesso impossibile adottare le modellazioni disaccoppiate tipiche dei classici filoni della fisica: meccanica, termica, elettromagnetismo, ecc. In molte circostanze, il problema può essere studiato solo in maniera completamente accoppiata >>>

Risultati parziali attesi
I risultati attesi dalla ricerca, il loro interesse per l’avanzamento della conoscenza e le possibili applicazioni sono strettamente correlati agli obiettivi finali elencati nella Sezione 11.

RISULTATI ATTESI

Oltre ad un generale miglioramento delle conoscenze delle U.R. coinvolte nel progetto sui temi trattati si attende una serie di risultati pratici forieri di interessanti risvolti applicativi, strettamente legati al raggiungimento degli obiettivi 2, 3, 4, nel seguito riportati.

Obiettivo 2. “Revisione e generalizzazione di alcune formulazioni usate in meccanica dei solidi e delle strutture per tenere conto di interazioni fra varie scale spaziali (e temporali) e vari fenomeni fisici”.

Obiettivo 3. “Formulazione di equazioni costitutive innovative, a varie scale di indagine, che tengano conto di fenomeni dissipativi e di interazione con azioni non meccaniche e loro validazione sperimentale”

Come descritto nelle Sezioni 13 e 14, il raggiungimento degli obiettivi 2 e 3 prevede lo studio di vari fenomeni intrinsecamente multi-scala in materiali e/o strutture e lo sviluppo di modelli predittivi in grado di fornire risultati quantitativi ai progettisti di materiali e/o strutture innovative.

I risultati pratici consisteranno nel miglioramento e/o nuova formulazione di svariati modelli che tengano conto delle eterogeneità dei materiali e/o strutture prese in esame a diverse scale spaziali di >>>

Durata
24 mesi
Base di partenza scientifica nazionale o internazionale
Il termine “multi-scala” (Fish 2006, Brandt 2002, E 2003, E and Engquist 2003) si riferisce a problemi, tecniche di modellazione e di risoluzione numerica caratterizzati da aspetti che coinvolgono scale spaziali e/o temporali fra loro molto diverse.

Nel mondo della meccanica dei materiali e delle strutture si affrontano problemi multi-scala quando il comportamento del materiale e/o della struttura è legato all’organizzazione spaziale dei costituenti elementari e può essere correttamente descritto solo riferendosi a vari livelli di scala. In questo ambito la sola organizzazione spaziale di elementi di dimensioni molto diverse fra loro può conferire al problema una natura multi-scala. Materiali e strutture sono allora creati con precise strutture “gerarchiche” al fine di ottenere prestazioni meccaniche elevate.

Se l’ordine gerarchico n di una struttura rappresenta il numero di scale sottostrutturali riconoscibili in essa, un esempio di efficienza strutturale è fornito dalla tour Eiffel, che risulta caratterizzata da n=3 ed ha una densità di massa media cinque volte inferiore al centro Pompidou, caratterizzato invece da n=1 (Lakes, 1993). Altri esempi di strutture gerarchiche con ottimali proprietà di rigidezza, resistenza e tenacità sono forniti da numerose strutture biologiche, per esempio la madreperla, le ossa ed il legno. Nei materiali compositi artificiali, in particolare laminati, le strutture gerarchiche sono realizzate intenzionalmente >>>