Riassunto analitico
Le strutture reticolari rappresentano una delle soluzioni più promettenti nel campo dell’ingegneria meccanica per ottimizzare il rapporto peso-resistenza e migliorare le prestazioni strutturali. Grazie all’Additive Manufacturing, è oggi possibile realizzare componenti con geometrie complesse che offrono vantaggi significativi in termini di leggerezza, resistenza meccanica e comportamento a fatica. Tuttavia, la previsione della loro vita operativa rimane una sfida aperta, soprattutto a causa della loro natura multiassiale e della difficoltà nel modellarne accuratamente il comportamento sotto carichi ciclici.
In questo studio si propone un approccio numerico e sperimentale per la valutazione della fatica in strutture reticolari con geometria a giroide, basato sulla tecnica di omogeneizzazione. L’obiettivo è ottenere un modello equivalente che riduca il costo computazionale delle simulazioni senza perdere accuratezza nella stima della vita a fatica. Dopo aver determinato le proprietà elastiche equivalenti della cella unitaria (RVE), si implementano modelli di fatica multiassiale in OptiStruct, confrontando i risultati ottenuti con diversi criteri di previsione della vita, tra cui Goodman e Findley. Uno degli aspetti chiave è che il metodo di calcolo multiassiale porta generalmente a una stima più conservativa della vita a fatica rispetto al metodo uniassiale, a causa della maggiore severità delle sollecitazioni valutate sul piano critico, ovvero il piano su cui si verifica la massima combinazione di tensioni normali e tangenziali.
L'analisi sperimentale ha confermato che il punto di rottura dei provini non coincide esattamente con la mezzeria, ma si sposta in zone più critiche le quali vengono individuate dall’analisi numerica. Questo dimostra la validità del metodo sviluppato e sottolinea l'importanza di considerare l’effetto delle sollecitazioni multiassiali nella previsione della vita a fatica. Oltre ai risultati numerici e sperimentali, questa ricerca propone anche possibili sviluppi
futuri, tra cui:
• L'integrazione di tecniche di machine learning per migliorare la capacità predittiva del modello;
• La realizzazione di una campagna sperimentale più ampia per affinare i parametri del modello di fatica;
• L'ottimizzazione del design delle strutture reticolari per migliorare la distribuzione delle sollecitazioni e ridurre il rischio di cedimenti prematuri;
• L’applicazione della metodologia sviluppata in ambito industriale, in settori quali l’automotive, l’aerospaziale e il biomedicale.
I risultati ottenuti dimostrano che l’approccio proposto può essere un valido strumento per la progettazione e l’analisi di strutture reticolari, fornendo una metodologia innovativa per la previsione della fatica in condizioni di carico complesso.
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Abstract
Lattice structures represent one of the most promising solutions in mechanical engineering for optimizing the strength-to-weight ratio and improving structural performance. Thanks to Additive Manufacturing, it is now possible to produce components with complex geometries that offer significant advantages in terms of lightness, mechanical strength, and fatigue behavior. However, predicting their operational life remains an open challenge, mainly due to their multiaxial nature and the difficulty of accurately modeling their behavior under cyclic loading.
This study proposes a numerical and experimental approach for evaluating fatigue in lattice structures with a gyroid geometry, based on the homogenization technique. The goal is to develop an equivalent model that reduces the computational cost of simulations without compromising accuracy in fatigue life estimation. After determining the equivalent elastic properties of the unit cell (RVE), multiaxial fatigue models are implemented in OptiStruct, comparing the results obtained with different life prediction criteria, including Goodman and Findley.
One key aspect is that the multiaxial calculation method generally leads to a more conservative fatigue life estimation than the uniaxial method. This is due to the higher severity of the stresses evaluated on the critical plane, which is the plane where the maximum combination of normal and shear stresses occurs.
The experimental analysis confirmed that the fracture point of the specimens does not coincide exactly with the midsection but shifts to more critical areas, identified through numerical analysis. This validates the developed method and highlights the importance of considering the effects of multiaxial stresses in fatigue life prediction.
In addition to numerical and experimental results, this research also suggests possible future developments, including:
•The integration of machine learning techniques to enhance the predictive capability of the model;
•A broader experimental campaign to refine the parameters of the fatigue model;
•The optimization of lattice structure designs to improve stress distribution and reduce the risk of premature failure;
•The application of the developed methodology in industrial sectors such as automotive, aerospace, and biomedical engineering.
The obtained results demonstrate that the proposed approach can be a valuable tool for the design and analysis of lattice structures, providing an innovative methodology for fatigue prediction under complex loading conditions.
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