MODELLAZIONE MULTI-SCALA DI MATERIALI E STRUTTURE
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Modellazione e simulazione di fenomeni complessi multi-scala e multi-fisica consentono di razionalizzare e velocizzare il processo di ideazione, progettazione e verifica e rendere possibile l'esplorazione, almeno “virtuale”, di soluzioni fortemente innovative. L'Ingegneria Strutturale è una delle discipline che può trarre massimo beneficio dall'impiego di tecniche di simulazione avanzata, con ricadute specialmente nell'Ingegneria Civile ma anche nell'Ingegneria Meccanica, Aerospaziale, Biomedica ed Elettronica.
Alla base della formulazione di modelli di calcolo vi è la necessità di cogliere gli aspetti essenziali dei fenomeni che si vogliono tradurre in leggi matematiche, la formulazione di adeguate leggi di comportamento per i materiali e le strutture e lo sviluppo di tecniche numeriche adatte al trattamento di situazioni ad elevata complessità, in grado 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.
Si è 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 materiali compositi di varia natura che sta crescendo nei settoricivile, meccanico, aerospaziale, biomeccanico. Materiali compositi di nuova concezione possono ispirarsi ai materiali biologici che in alcuni casi mostrano una struttura gerarchica di costituenti intelligentemente combinati a scale diverse in grado di fornire prestazioni di natura meccanica di molto superiori a quelle dei singoli costituenti.
E' ormai evidente che modelli per la descrizione del comportamento di materiali e strutture devono considerare correttamente il comportamento dei singoli costituenti alle diverse scale spaziali coinvolte. Nasce l'esigenza di risolvere problemi di natura intrinsecamente “multi-scala”. La modellazione e soluzione di tali problemi rappresenta una duplice sfida: l'interpretazione di fenomeni fisici complessi, non solo di natura meccanica, che avvengono alle diverse scale e la creazione di metodi di calcolo efficienti.
La presente ricerca si sviluppa a seguito di precedenti attività finanziate dal MIUR nell'ambito dei progetti PRIN-cofin05 e PRIN-cofin07, con il nuovo
coinvolgimento dell'Unità di Ricerca di Cassino in aggiunta alle cinque già presenti nei precedenti progetti.
Fra i risultati attesi della presente ricerca si prevede la migliore comprensione di fenomeni altamente non-lineari e dissipativi che caratterizzano materiali micro e nano strutturati, lo sviluppo di modelli costitutivi innovativi che tengano conto dell'eterogeneità di materiali dotati di micro-struttura e descrivibili solamente mediante formulazioni multi-scala, l'ideazione e/o il miglioramento di tecniche numeriche in grado di superare le sfide presentate dal calcolo multi-scala, la formulazione di metodi di calcolo ispirati alle tecniche di decomposizione di domini per la soluzione di problemi di grande scala, e con forti interazioni fra diversi fenomeni fisici e la validazione dei risultati conseguiti mediante attività sperimentale.
Dai risultati della ricerca ci si attende anche la possibilità di migliorare le prestazioni di materiali ed elementi strutturali ed individuare nuove applicazioni e soluzioni tecnologiche negli ambiti specifici analizzati dalle sei U.R.
Gli obiettivi della ricerca saranno perseguiti, in linea con i risultati precedentemente ottenuti dai gruppi di ricerca coinvolti, indagando il comportamento di materiali e componenti strutturali alle varie scale dimensionali di interesse, in sistemi anche fortemente diversi ma caratterizzati tutti da strutture gerarchiche o “multi-scala” e/o dalla contemporanea presenza di fenomeni di accoppiamento complessi.
Per poter esplorare diverse scale dimensionali e trattare problemi complessi che necessitano di chiarimenti teorici e strumenti di calcolo efficienti, nonché per beneficiare di un proficuo scambio di conoscenze e di notevoli sinergie, verranno considerati problemi dell'Ingegneria Strutturale in diversi ambiti applicativi: microsistemi (Micro Sistemi Elettro Meccanici, MEMS), materiali multi-strato, materiali a gradiente funzionale (FGM), materiali a memoria di forma (SMA).
I risultati di questa ricerca potranno contribuire a colmare il divario tuttora esistente tra ricerca scientifica e pratica ingegneristica. La stretta collaborazione tra le sei unità di ricerca e l'esperienza accumulata dalle stesse sui temi di ricerca proposti, potrà garantire il raggiungimento di significativi risultati nel corso dei due anni di attività.
