Riassunto analitico
La mia attività di tesi si è incentrata sullo studio della struttura giroide per applicazioni di scambio termico. Inizialmente sono stati testati sperimentalmente dei provini in struttura giroide realizzati in lega di alluminio mediante tecnologia Selective Laser Melting (SLM). I provini sono stati testati in trazione e post processati in modo convenzionale mediante l'utilizzo di estensometri a contatto e virtuali per ricavare le curve sforzo-deformazione della struttura giroide.
Per prima cosa, è stato analizzato il comportamento viscoplastico della lega AlSi10Mg realizzata in SLM. A partire da risultati sperimentali trovati in letteratura, è stato correlato un modello di creep, adottato poi in simulazioni numeriche FEM per determinati caricamenti in pressione e temperatura al fine di valutare l’insorgenza di creep.
L’impiego della struttura giroide è stato considerato anche nell’ottica del ridisegno di uno scambiatore di calore dal design preliminare, per il raffreddamento di un motore endotermico ad alta potenza specifica. Sono stati adottati metodi di calcolo strutturale e termostrutturale attraverso software agli Elementi Finiti (FEM) per valutare l’integrità della struttura giroide durante il tipico funzionamento dello scambiatore, considerando pressurizzazioni statiche e dinamiche, a temperatura ambiente o in presenza di carichi termici.
L’approccio impiegato nelle simulazioni mira a ridurne il costo computazionale, modellando la struttura giroide attraverso un materiale omogeneo equivalente. Successivamente, partendo dai risultati del materiale omogeneo equivalente, si è passati a calcoli sulla singola cella giroide per valutare lo stato tensionale della giroide nelle zone più critiche all'interno del componente. In parallelo sono stati svolti anche i calcoli sul modello completo dello scambiatore in modo da verificare la correttezza dei risultati ottenuti.
La resistenza a fatica ad alto numero di cicli della struttura giroide è stata valutata sfruttando il criterio di fatica multi-assiale di Dang-Van.
Le tecniche di modellazione e simulazione sviluppate nel presente lavoro di tesi verranno impiegate nelle prove di delibera virtuale di scambiatori di calore che integrino una struttura lattice giroide, a seconda delle richieste per il componente.
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Abstract
My thesis activity was focused on the study of gyroid structures for heat exchange applications. Firstly, gyroid structure specimens made by an aluminum alloy and manufactured in Selecting Laser Melting (SLM) have been tensile tested. The post-processing of those tests has been done using contact and virtual extensometers to obtain the stress-strain curves of the gyroid structure.
The viscoplastic behavior of the aluminum alloy AlSi10Mg has been analyzed starting from the experimental results founded in literature and a correlation with a creep model has been done in order to be able to evaluate the starting of creep through numerical simulations FEM under certain pressure and thermal loadings.
The gyroid structure has also been considered in the preliminary redesign of a heat exchanger for the cooling of a high-performance engine.
Finite Element software’s (FEM) have been employed to evaluate the structural integrity of the gyroid structure in the typical working conditions of the component, as under static and dynamic pressurization at ambient temperature or under thermal loading.
The approach considered in the simulations has the objective to reduce the computational time, by modelling the gyroid structure through a homogeneous and equivalent material. Then, starting from the results of the equivalent and homogenous material, the single gyroid cell has been considered to evaluate the stress state of the gyroid structure at the most critical regions of the component.
In parallel, calculations on the complete model of the heat exchanger have been done to verify the results of the simplified approach.
The fatigue resistance at high number of cycles has been evaluated considering the Dang-Van multi-axial fatigue criterium.
The modelling and simulations methods developed in this thesis will be employed in the virtual delivery tests of heat exchangers that integrates an internal lattice gyroid structure, according to the requirements of the component.
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