Preparazione e caratterizzazione di espansi in PVC per la produzione di pannelli compositi utilizzati in campo eolico e navale

I materiali polimerici espansi sono utilizzati come core di pannelli compositi di tipo sandwich (tipicamente a base di polivinilcloruro, polistirene e poliuretani). Negli ultimi anni molte ricerche si sono concentrate sulla possibilità di aumentare le loro proprietà meccaniche, termiche, di resistenza agli agenti esterni, ignifughe, etc cercando contemporaneamente la diminuzione del peso e del costo (sia delle materia prime che di processo). In questo contesto, l’obiettivo di questa tesi di laurea è lo studio, la preparazione e la caratterizzazione di espansi in PVC di natura cross-linked per la produzione di pannelli compositi a sandwich potenzialmente utilizzabili in campo eolico e navale.

Produzione di compositi a matrice di alluminio con rinforzo particellare nanometrico

Le leghe di alluminio da fonderia rivestono un ruolo fondamentale in ambito industriale e in particolare il settore dei trasporti ha notevolmente incrementato il loro impiego per la realizzazione di componenti strutturali. Al fine di aumentare ulteriormente la resistenza specifica, tali leghe possono essere impiegate come matrici per lo sviluppo di compositi (Metal Matrix Composites, MMCs), le cui fasi di rinforzo possono avere diversa composizione, forma e dimensione. In particolare, nel caso di rinforzo particellare, più le particelle sono piccole e finemente disperse nella matrice, più elevato può essere l’incremento delle prestazioni meccaniche. In quest’ottica, la ricerca ha portato allo sviluppo dapprima di compositi caratterizzati da un rinforzo micrometrico e, in anni recenti, si sta concentrando sul rinforzo nanometrico (Metal Matrix Nano Composites, MMNCs). I nano-compositi possono essere ottenuti attraverso metodologie differenti: tecniche in situ, in cui il rinforzo viene generato all’interno della matrice attraverso opportune reazioni chimiche, e tecniche ex situ, in cui i dispersoidi vengono inseriti nella matrice fusa, una volta già formati. Sebbene l’incremento prestazionale ottenibile da tali materiali sia stato dimostrato, è necessario far fronte ad alcune problematiche connesse a ciascuna tecnologia produttiva quali, ad esempio, il controllo dei parametri di processo, per quanto riguarda le tecniche in situ, e l’ottenimento di una efficace dispersione delle nano-particelle all’interno della matrice, nel caso delle metodologie ex-situ. Lo scopo della presente attività di tesi è lo studio di fattibilità, basato anche su un’ampia indagine bibliografica, e l’implementazione di metodologie produttive, su scala di laboratorio, volte allo sviluppo di MMNCs a matrice in lega di alluminio (A356, Al-Si-Mg). L’interesse è stato posto in primo luogo sul processo in situ di gas bubbling, mirato all’ottenimento di rinforzo d’allumina, indotto dalla reazione tra matrice metallica e gas ossidante (in questo caso aria secca industriale). In secondo luogo, dal punto di vista delle tecniche ex situ, è stato approfondito l’aspetto della dispersione delle particelle di rinforzo nel fuso, prestando particolare attenzione alla tecnica di trattamento ultrasonico del metallo.

(Nano)-compositi avanzati a matrice epossidica

I materiali (nano)compositi, unendo al loro interno le prestazioni dei loro componenti, che in alcuni casi possono addirittura agire sinergicamente sviluppando nuove proprietà non appartenenti alle singole fasi isolate, appaiono come una risposta ottimale alle nuove esigenze che richiedono materiali performanti dal punto di vista meccanico e sempre più dotati di funzionalità aggiuntive. È noto come l’uso di nanocariche consenta non solo di migliorare le proprietà meccaniche, ma di aggiungere proprietà funzionali di varia natura. In questo lavoro di tesi si sono quindi valutate due tipologie di nanocariche, grafene e organoclay (ritardante di fiamma), come modificatori di una matrice epossidica commerciale. La stessa matrice è stata utilizzata anche per produrre compositi contenenti fibra di carbonio riciclata da pirolisi, con la prospettiva futura di unire i processi e ottenere compositi da fibra di riciclo e matrice multifunzionale.

Multi-body modelling of wagon trains for crashworthiness analysis

Three-dimensional wagon train models have been developed for the crashworthiness analysis using multi-body dynamics approach. The contributions of the train size (number of wagon) to the frontal crash forces can be identified through the simulations. The effects of crash energy management (CEM) design and crash speed on train crashworthiness are examined. The CEM design can significantly improve the train crashworthiness and the consequential vehicle stability performance - reducing derailment risks.

Analysis of crush behaviours of a rail cab car and structural modifications for improved crashworthiness

In this paper, the authors present a crashworthiness assessment and suggestions for modification of a conventionally designed rail vehicle with a driving cab (cab car). The analytical approach, based on numerical analysis, consisted of two stages. Firstly, the crashworthiness of the cab car was assessed by simulating a collision between the cab car and a rigid wall. Then, after analysing structural weaknesses, the design of the cab car was modified and simulated again in the same scenario. It was found that downward bending is an intrinsic weakness in conventional rail vehicles and that jackknifing is a main form of failures in conventional rail vehicle components. The cab car, as modified by the authors, overcomes the original weaknesses and shows the desired progressive collapse behaviour in simulation. The conclusions have general relevance for other studies but more importantly, point to the need for a rethink of some aspects of rail vehicle design.

A scaling method for modelling the crashworthiness of novel roadside barrier designs

In this paper, a novel method for modelling a scaled vehicle–barrier crash test similar to the 20◦ angled barrier test specified in EN 1317 is reported. The intended application is for proof-of-concept evaluation of novel roadside barrier designs, and as a cost-effective precursor to full-scale testing or detailed computational modelling. The method is based on the combination of the conservation of energy law and the equation of motion of a spring mass system representing the impact, and shows, for the first time, the feasibility of applying classical scaling theories to evaluation of roadside barrier design. The scaling method is used to set the initial velocity of the vehicle in the scaled test and to provide scaling factors to convert the measured vehicle accelerations in the scaled test to predicted full-scale accelerations. These values can then be used to calculate the Acceleration Severity Index score of the barrier for a full-scale test. The theoretical validity of the method is demonstrated by comparison to numerical simulations of scaled and full-scale angled barrier impacts using multibody analysis implemented in the crash simulation software MADYMO. Results show a maximum error of 0.3% ascribable to the scaling method.

Dynamic identification of building structures: new strategies:Meccanica dei materiali e delle strutture

In this paper the evolution of a time domain dynamic identification technique based on a statistical moment approach is presented. This technique can be used in the case of structures under base random excitations in the linear state and in the non linear one. By applying Itoˆ stochastic calculus, special algebraic equations can be obtained depending on the statistical moments of the response of the system to be identified. Such equations can be used for the dynamic identification of the mechanical parameters and of the input. The above equations, differently from many techniques in the literature, show the possibility of obtaining the identification of the dissipation characteristics independently from the input. Through the paper the first formulation of this technique, applicable to non linear systems, based on the use of a restricted class of the potential models, is presented. Further a second formulation of the technique in object, applicable to each kind of linear systems and based on the use of a class of linear models, characterized by a mass proportional damping matrix, is described.

La pomice per il confezionamento di calcestruzzi leggeri strutturali:Meccanica dei materiali e delle strutture

Abstract. The possibility of using pumice aggregates for concrete in structural applications is discussed. In particular, the mix design of lightweight concrete for the manufacturing masonry units having proper strength, is discussed. Moreover, the design of the unit shape according to the technical code requirements and making it possible to arrange reinforcing steel bars is described. Reinforced bearing masonry walls, made with the concrete units in question, were manufactured and tests on the panels and on the designed units were carried out. For comparison, tests on concrete units and structural elements were carried out after the substitution of pumice aggregates with ordinary lightweight aggregates, proving that pumice can be considered an alternative to them. Sommario. L’uso della pomice come inerte per il confezionamento di calcestruzzo è poco diffuso sebbene essa sia stata usata già in antiche costruzioni come il Pantheon in Roma. In questo studio si affronta la possibilità di realizzare blocchi in calcestruzzo alleggerito con granuli di pomice. I blocchi, progettati e realizzati secondo le indicazioni normative correnti, sono stati usati per realizzare pannelli murari armati da sottoporre a carichi ciclici orizzontali. I risultati ottenuti, messi a confronto con quelli di pannelli realizzati con blocchi in cls alleggerito con argilla espansa, hanno mostrato la possibilità di utilizzare la pomice come validissima alternativa all’argilla espansa.

Experimental investigation on masonry panels manufactured with pumice lightweight concrete:Meccanica dei materiali e delle strutture

Abstract. The possibility of using pumice aggregates for concrete in structural applications is discussed. In particular, the mix design of lightweight concrete for the manufacturing masonry units having proper strength, is discussed. Moreover, the design of the unit shape according to the technical code requirements and making it possible to arrange reinforcing steel bars is described. Reinforced bearing masonry walls, made with the concrete units in question, were manufactured and tests on the panels and on the designed units were carried out. For comparison, tests on concrete units and structural elements were carried out after the substitution of pumice aggregates with ordinary lightweight aggregates, proving that pumice can be considered an alternative to them. Sommario. L’uso della pomice come inerte per il confezionamento di calcestruzzo è poco diffuso sebbene essa sia stata usata già in antiche costruzioni come il Pantheon in Roma. In questo studio si affronta la possibilità di realizzare blocchi in calcestruzzo alleggerito con granuli di pomice. I blocchi, progettati e realizzati secondo le indicazioni normative correnti, sono stati usati per realizzare pannelli murari armati da sottoporre a carichi ciclici orizzontali. I risultati ottenuti, messi a confronto con quelli di pannelli realizzati con blocchi in cls alleggerito con argilla espansa, hanno mostrato la possibilità di utilizzare la pomice come validissima alternativa all’argilla espansa.

Predicting impact damage, residual strength and crashworthiness of composite structures

The development of the latest generation of wide-body carbon-fibre composite passenger aircraft has heralded a new era in the utilisation of these materials. The premise of superior specific strength and stiffness, corrosion and fatigue resistance, is tempered by high development costs, slow production rates and lengthy and expensive certification programmes. Substantial effort is currently being directed towards the development of new modelling and simulation tools, at all levels of the development cycle, to mitigate these shortcomings. One of the primary challenges is to reduce the extent of physical testing, in the certification process, by adopting a ‘certification by simulation’ approach. In essence, this aspirational objective requires the ability to reliably predict the evolution and progression of damage in composites. The aerospace industry has been at the forefront of developing advanced composites modelling tools. As the automotive industry transitions towards the increased use of composites in mass-produced vehicles, similar challenges in the modelling of composites will need to be addressed, particularly in the reliable prediction of crashworthiness. While thermoset composites have dominated the aerospace industry, thermoplastics composites are likely to emerge as the preferred solution for meeting the high-volume production demands of passenger road vehicles. This keynote presentation will outline recent progress and current challenges in the development of finite-element-based predictive modelling tools for capturing impact damage, residual strength and energy absorption capacity of thermoset and thermoplastic composites for crashworthiness assessments.