L’analisi delle vibrazioni delle strutture ingegneristiche fa un grande balzo in avanti
Le vibrazioni sono diffuse nelle strutture ingegneristiche flessibili. Nella maggior parte dei casi, sono sgradite in quanto sprecano energia, causano fatica e creano suoni indesiderati. Tutte le vibrazioni sono intrinsecamente non lineari per natura, il che significa che la risposta alla vibrazione non è proporzionale alla forza di eccitazione. Tuttavia, i fenomeni non lineari sono per lo più trascurati nell’industria perché gli scienziati non dispongono di una metodologia e di un software specifici per affrontarli adeguatamente. Di conseguenza, spesso preferiscono approcci lineari perché consentono che il comportamento del sistema rimanga semplice, prevedibile e facile da gestire.
Fenomeni non lineari senza controparti lineari
Gli approcci lineari hanno indubbiamente aiutato nell’elaborazione di tecniche e strumenti che aiutano a risolvere complesse sfide ingegneristiche. Tuttavia, «la tendenza verso strutture più leggere, più flessibili, più ecocompatibili e meno costose sta spingendo gli ingegneri a ideare progetti innovativi e, soprattutto, a ridurre i margini di sicurezza», spiega Gaëtan Kerschen, professore di ingegneria aerospaziale presso il dipartimento di ingegneria aerospaziale e meccanica dell’Università di Liegi, in Belgio. Tali strutture sono inclini a mostrare un comportamento non lineare una volta che sono state allungate o ruotate. «L’attrito irregolare tra i diversi elementi di una batteria o tra le pale del motore e la carcassa può produrre dinamiche (vibrazioni) altamente non lineari rispettivamente nelle auto elettriche e negli aerei», ha aggiunto Kerschen. In generale, la non linearità può dar luogo a fenomeni dinamici complessi che comprendono interazioni modali, biforcazioni o caos. Pertanto, qualsiasi tentativo di applicare tecniche lineari tradizionali per acquisirne la dinamica è destinato a fallire.
Risolvere gli ostacoli chiave nella progettazione di strutture ingegneristiche sicure
Sfruttando il successo di un altro progetto per sviluppare il primo software in grado di quantificare con precisione l’impatto delle vibrazioni non lineari sulle strutture ingegneristiche, il progetto NI2D, finanziato dall’UE, sta contribuendo alla commercializzazione della nuova tecnologia sviluppata. «Il nostro software aiuta gli ingegneri addetti al collaudo e alla simulazione a valutare l’importanza dei fenomeni non lineari presenti nelle strutture analizzando in modo innovativo i dati di prova tradizionali», ha spiegato Kerschen. Gli ingegneri possono individuare la fonte di vibrazioni non lineari e quindi creare nuovi modelli che descrivono questo comportamento ai fini della progettazione. E prosegue: «La non linearità passa quindi da un fenomeno sconosciuto e potenzialmente pericoloso a un evento dinamico ben compreso, prevedibile e accettabile. Questo consente agli ingegneri di innalzare il livello dei loro progetti e aiuta a superare i timori relativi al mondo delle vibrazioni non lineari». La caratteristica unica di NI2D è quella di poter abbracciare sia le serie temporali che i modelli ad elementi finiti. Rispetto ai software commerciali esistenti, permette anche l’aggiornamento di modelli non lineari e supporta l’analisi modale (lo studio delle proprietà dinamiche dei sistemi nel dominio delle frequenze). Combinando risposte temporali non lineari, modalità di vibrazione, frequenze di risonanza e biforcazioni, fornisce una visione chiara e immediata dell’impatto delle non linearità sulle proprietà dinamiche della struttura per scopi predittivi e progettuali.
Vantaggi molteplici
Le non linearità possono compromettere l’integrità strutturale e le prestazioni dei prodotti. Il rischio principale è che lo sviluppo del prodotto venga interrotto quando non sono soddisfatti i requisiti di certificazione (come nel caso dei satelliti). Per quanto riguarda gli aeromobili e i componenti delle automobili, l’usura accelerata causata dalle non linearità comporta un aumento dei costi di manutenzione e un impatto ambientale negativo. NI2D offre l’opportunità di valutare l’impatto delle non linearità nella prima fase di progettazione, fornendo alle aziende modelli ad alta fedeltà delle connessioni non lineari nella loro struttura. Inoltre, NI2D riduce sostanzialmente la durata della campagna di test e migliora i tempi di commercializzazione del prodotto. Kerschen conclude: «Trasmettendo una ricca serie di interazioni non lineari, NI2D accelera la convalida di nuovi progetti promettenti, eliminando la necessità di tornare a progetti conservativi».
Parole chiave
NI2D, strutture ingegneristiche, vibrazioni non lineari, analisi delle vibrazioni, auto, aerei, satellite
