La modellazione dei dati per garantire la realizzabilità dei componenti degli aeromobili
I materiali termoplastici sono utilizzati in molti settori in virtù delle loro ottime proprietà in termini di forza, durata e resistenza alla fatica, e forniscono inoltre un buon rapporto qualità-prezzo e una maggiore sostenibilità grazie alla loro riciclabilità. «A differenza dei termoindurenti convenzionali, i materiali termoplastici possono essere fusi e rimodellati più volte», osserva Albert Turon, coordinatore del progetto TREAL e membro del gruppo di ricerca AMADE, attivo presso l’Università di Girona, in Spagna. In effetti, possono essere fusi e rifusi quasi all’infinito, contribuendo a eliminare la plastica dai flussi di rifiuti industriali.
Compositi termoplastici per il settore aerospaziale
Il progetto TREAL è stato avviato con il proposito di aiutare il settore aerospaziale a sfruttare meglio le potenzialità di questi materiali. Questo obiettivo è stato conseguito elaborando nuovi modelli di analisi per prevedere il comportamento dei compositi con materiali termoplastici e creando una piattaforma di metodologie di collaudo numerico che produttori e progettisti potessero utilizzare. «Il nostro obiettivo era costruire una piattaforma di modellazione virtuale affidabile, in grado di prevedere in modo efficiente tutti i danni e le modalità di rottura di questi nuovi materiali termoplastici», spiega Turon. «Uno dei principali ostacoli all’adozione diffusa dei materiali termoplastici è rappresentato dalle considerazioni sulle prestazioni e dalle difficoltà di stabilire processi produttivi efficienti.»
Analisi numerica dei materiali basata sull’affidabilità
Il progetto è iniziato con la produzione di pannelli termoplastici di alta qualità per gli aeromobili e con l’elaborazione di un protocollo di test sperimentali per questi ultimi, vale a dire l’identificazione dei limiti ammissibili di sollecitazione, deformazione o rigidità per determinate configurazioni e condizioni dell’aeromobile. Parallelamente è stato elaborato un nuovo modello numerico di danneggiamento dei materiali termoplastici, progettato per prevedere con precisione i meccanismi di danneggiamento e rottura di questi nuovi materiali. L’obiettivo finale era dimostrare che tale analisi numerica basata sull’affidabilità avrebbe potuto sostituire, o almeno ridurre, la necessità di effettuare test strutturali fisici costosi e dispendiosi in termini di tempo. È stata eseguita un’ampia gamma di test sperimentali sui nuovi compositi termoplastici per comprenderne il comportamento e i limiti consentiti. I modelli numerici sono stati poi convalidati allo scopo di verificare quanto accuratamente potessero prevedere il comportamento meccanico di questi materiali.
Quantificazione e gestione dell’incertezza nella progettazione di aeromobili
TREAL è riuscito a definire una metodologia efficiente per determinare i valori limite di progetto sulla base di approcci simulati. «Nel progetto TREAL siamo stati in grado di applicare ciò che viene chiamato quantificazione e gestione dell’incertezza (UQM, uncertainty quantification and management) lungo l’intera catena di sviluppo», aggiunge Aravind Sasikumar dell’Università di Girona, che ha diretto questa fase del progetto. «Si è passati dalla quantificazione delle incertezze sulle proprietà dei materiali allo sviluppo di strumenti e procedure di analisi accurati per propagarle in modo efficiente e ottenere valori limite di progetto affidabili. Si tratta di informazioni fondamentali per gli ingegneri che si occupano della progettazione dei materiali e per i costruttori di aerei, al fine di progettare i velivoli di prossima generazione con la sicurezza richiesta.» Per rendere accessibili questi risultati, i diversi metodi di analisi elaborati dal gruppo di ricerca sono stati consolidati in Digimat, una piattaforma di modellazione dei materiali multiscala all’avanguardia che aiuta gli ingegneri a progettare e ottimizzare i materiali compositi in modo rapido ed economico. Il passo successivo consisterà nella completa integrazione di questi strumenti di analisi numerica nei processi UQM lungo le diverse fasi di sviluppo di nuovi componenti aeronautici. «L’approccio che abbiamo elaborato contribuirà a ridurre i tempi di sviluppo del prodotto e l’entità delle campagne sperimentali estensive, oltre ad aumentare la fiducia nei limiti identificati di sollecitazione, deformazione o rigidità», spiega Sasikumar, che conclude: «La nostra speranza è che questa modellazione virtuale dei dati venga infine integrata nella progettazione degli aerei di prossima generazione.»
Parole chiave
TREAL, aeronautica, aerospaziale, materiali termoplastici, compositi, UQM, Digimat
