Tesi di Dottorato

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Finite Element models for the dynamic analysis of composite and sandwich structures
(2015-12-16) Treviso, Alessandra; Mundo, Domenico; Tournou, Michel
The use of lightweight multi-layered materials is dramatically changing the design process and criteria in many engineering fields. The transportation industry, for example, is facing major challenges in order to replace traditional materials while keeping at least the same level of passengers’ comfort and safety. In particular, the Noise, Vibration and Harshness (NVH) performances are affected by the novel combination of high stiffness and low density. If the aeronautic industry still heavily relies on testing to assess designs’ validity, such an approach cannot be applied to the automotive industry for the development costs would be too high. It is therefore necessary to identify CAE tools capable of giving realistic, reliable and cost-effective predictions of multi-layered structures’ behaviour under dynamic loadings. An often overlooked problem is that of damping which is generally higher in composite and sandwich structure but rarely it is also efficiently exploited, so that in most cases the classic approach of applying NVH treatments is followed. However, this procedure has a detrimental effect on the attained weight saving and on the global dynamic performance of lightweight structures, therefore leading to unsatisfactory results. Moreover, the variability of mechanical properties due to the low repeatability of some manufacturing processes can also have an impact on the global behaviour of the as-manufactured component. An early integration of damping prediction and an estimate of possible stiffness variations due to the manufacturing can actually lead to better designs in less time. In this thesis these challenges are tackled from the Computer Aided Engineering (CAE) point of view, thanks to the introduction of a novel finite element for the prediction of the damped response of generic multi-layered structures and the proposition of a CAMCAE approach to introduce manufacturing simulations at an early stage in the design and analysis process. In the first chapters, different analytical and numerical approaches for the modelling of multi-layered structures are presented and used for the development of a 1D finite element. The results of the mono-dimensional analysis show that zigzag theories are a cost-effective and accurate alternative to solid finite element models, motivating the development of a 2D element for the analysis of plates and shells. With respect to previous investigations on zigzag theories, the current study focus on their use for modal parameters prediction, i.e. eigenfrequencies, mode shapes and damping. It will be shown that compared to classic models, the zigzag elements are able to predict the dynamic response, damped and undamped, of beam, plates and shells with the same accuracy of 3D models but at a much lower computational cost. In the last chapter, the available homogenisation methods for the analysis of long fibres composites are reviewed and compared to more refined models based on manufacturing simulation algorithms. Results show that changes in manufacturing parameters lead to substantially different results. The goal is to show that CAM/FE coupling is possible already at an early design stage and that manufacturing simulations can be used as a mean to further optimise the performance of composite structures. As a final stage, an example of coupling between zigzag theories and manufacturing simulations is presented. Despite some limitations, the proposed methods increase the accuracy of the analysis and gives a better understanding of lightweight multi-layered structures. Further research could focus on the use of the developed zigzag elements for fatigue analysis and delamination modelling as well as detailed modelling of drop-off regions in the framework of CAM tools improvements
Efficient modelling methodologies for multibody simulations of vehicle dynamics
(2014) Carpinelli, Mariano; Mundo, Domenico; Gubitosa, Marco
Efficient modelling methodologies for multibody simulations of vehicle dynamics
(2014) Carpinelli, Mariano; Mundo, Domenico; Gubitosa, Marco; Pagnotta, Leonardo
Innovative methodologies for concept modelling of vehicle body structures
(2014-11-26) De Gaetano, Giovanni; Olivito, Renato S.; Mundo, Domenico; Maletta, Carmine
Sviluppo di modelli multibody avanzati per la dinamica delle ruote dentate.
(2012-11-15) Palermo, Antonio; Mundo, Domenico; Desmet, Wim
Il lavoro di tesi e‟ incentrato sullo sviluppo di una metodologia multibody che permetta di simulare la risposta dinamica di una trasmissione come sistema completo, considerando gli effetti di contatto non-lineari e tridimensionali sull‟ingranamento delle ruote dentate. In particolare, le ruote dentate facenti parte della trasmissione non sono analizzate in maniera isolata, bensi‟ risentono delle condizioni operative istantanee derivanti dalle deformazioni strutturali e dalle interazioni della trasmissione con il generatore e l‟utilizzatore della potenza meccanica. Tali condizioni operative sono espresse, per tutti gli ingranaggi della trasmissione, in termini di disallineamenti istantanei e coppia trasmessa istantanea. Lo sviluppo della metodologia e‟ stato svolto in collaborazione con la Katholieke Universiteit Leuven e l‟azienda LMS International, entrambe situate nella citta‟ di Leuven (Belgio). La tesi ha inizio con un capitolo introduttivo, prosegue con la discussione dello stato dell‟arte, illustra attraverso tre capitoli di dettaglio la metodologia sviluppata, presenta i risultati numerici per due tipici casi di studio e termina con le conclusioni. L‟introduzione illustra sinteticamente le problematiche legate alla dinamica delle trasmissioni di potenza, le necessita‟ del contesto industriale di riferimento, la traiettoria di ricerca seguita durante il periodo di dottorato e i contributi sostanziali apportati dalla metodologia sviluppata. Tali contributi sono identificati nella possibilita‟ di evitare i costi computazionali imposti dalle dettagliate simulazioni di contatto, di modellare quindi in maniera dettagliata ed efficiente carichi dinamici e disallineamenti dinamici strettamente connessi alle vibrazioni e alla durabilita‟ delle trasmissioni meccaniche, e infine di calcolare tali quantita‟ fisiche attraverso una metodologia tale da poter essere utilizzata per un generico sistema meccanico rappresentato in ambiente multibody. Il capitolo relativo allo stato dell‟arte identifica tre classi principali di modellazione adottate per la dinamica delle trasmissioni meccaniche e ne analizza le relative applicazioni nei principali campi industriali, identificando punti di forza e di debolezza per ciascuna delle classi. Le tre classi analizzate includono modelli 12 analitici (da mono- a tri-dimensionali), modelli agli Elementi Finiti (statici e dinamici) e modelli multibody (a corpo-ruota rigido e flessibile). Le applicazioni riguardano il calcolo delle vibrazioni ai fini del comfort acustico e della durabilita‟ delle trasmissioni nel campo automobilistico, eolico e aeronautico. Si evidenzia come in tali applicazioni le trasmissioni rappresentino sistemi critici per il successo commmerciale dei prodotti (campo automobilistico ed eolico) o per la sicurezza degli utilizzatori (campo aeronautico). Il primo capitolo di dettaglio (Cap. 3) analizza le motivazioni teoriche su cui si fondano le ipotesi alla base della metodologia proposta. L‟Errore di Trasmissione e‟ identificato come l‟indicatore quantitativo principale per il calcolo delle vibrazioni della trasmissione. Subito dopo sono discussi i contributi della flessibilita‟ dei denti e dei disallineamenti all‟Errore di Trasmissione. Tale discussione fornice il substrato per comprendere come le modifiche microgeometriche delle superfici dei denti possano ridurre in maniera significativa le vibrazioni e migliorare la distribuzione delle pressioni di contatto. Sulla base delle motivazioni teoriche, la metodologia proposta permette di calcolare la rigidezza di ingranamento statica (per un range di condizioni operative) prima della simulazione dinamica e di ridurre i relativi tempi di calcolo in modo notevole, grazie alla semplice interpolazione di tale rigidezza in funzione delle condizioni operative istantanee. Il secondo capitolo di dettaglio (Cap. 4) fornisce la formulazione matematica alla base della metodologia proposta. Il terzo capitolo di dettaglio (Cap. 5) illustra in maniera quantitativa la sensibilita‟ dell‟Errore di Trasmissione rispetto alle variazioni della coppia applicata, di interasse e del disallineamento angolare nel piano d‟azione. Appare necessario da tale analisi includere gli effetti di tali variazioni per ottenere una risposta dinamica che sia accurata. Il capitolo sui casi di studio mostra come la discussione condotta nei capitoli precedenti sia correttamente rintracciabile nei risultati forniti dalla metodologia proposta. Il primo caso di studio analizzato e‟ quello di una coppia di ruote dentate elicoidali che presentano modifiche microgeometriche della superficie dei denti ottimizzate. La variabilita‟ dell‟Errore di Trasmissione risulta minima nelle condizioni operative di ottimo e degrada allontanandosi da tali condizioni. A bassa velocita‟ di rotazione i risultati dinamici convergono verso i risultati delle simulazioni statiche. Il secondo caso di studio analizzato e‟ un rotismo 13 epicicloidale a tre pianeti elicoidali. I risultati mostrano come sia necessario modellare gli effetti tridimensionali del contatto al fine di catturare correttamente la risposta dinamica del rotismo.

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