Dinamiche strutturali

Tutte le strutture grandi e piccole sono soggette a forze fisiche che influenzano le loro performance. Che si tratti della pala di una turbina eolica che vibra durante una burrasca in mare, di un aeromobile durante una turbolenza in volo o di un macchinario esposto a vibrazioni auto-generate, tutte queste forze mettono alla prova l’integrità di una struttura.

Tuttavia, mentre le strutture devono essere resilienti e rigide, il loro sovradimensionamento potrebbe risultare non necessario e costoso, specialmente nei casi in cui il peso costituisce un problema. Inoltre, alcune strutture, come i supporti dei motori, non devono essere troppo rigide, poiché devono assorbire le vibrazioni per poter offrire il massimo confort possibile.

Capire il comportamento delle strutture in esercizio permette agli ingegneri di ottimizzare il design, monitorare l’integrità delle strutture e massimizzarne la performance.

Caratterizzazione strutturale

La dinamica strutturale riguarda la caratterizzazione delle proprietà strutturali e del comportamento delle strutture. Le proprietà strutturali sono espresse in una serie di parametri modali, ognuno dei quali è costituito da una forma modale con una frequenza naturale associata (risonanza) e un valore di smorzamento. I parametri modali vengono derivati da un modello matematico che descrive il rapporto tra input e output e possono essere ottenuti usando sia l’analisi modale classica che l’analisi modale operativa (OMA). 

Nell’analisi modale classica, la struttura viene eccitata utilizzando dei martelli da impatto o eccitatori modali (shaker modali), mentre nell’analisi modale operativa si utilizza l’eccitazione naturale. In entrambi i casi, la risposta viene misurata generalmente usando degli accelerometri.

La determinazione del modo in cui gli urti provocano degli effetti sulla struttura costituisce un tipo speciale di caratterizzazione strutturale. A questo scopo, si utilizza lo spettro di risposta all’urto (SRS) calcolato dai transitori nel dominio di tempo.

Il comportamento della struttura viene analizzato tramite tecniche quali l’analisi delle deformate operative (ODS) per determinare l’andamento delle vibrazioni delle strutture in diverse condizioni operative oppure usando un sistema di monitoraggio strutturale permanente (SHM) per seguire costantemente lo stato della struttura e definire la gestione dell’integrità della struttura necessaria.

Integrazione di test e simulazione

Le strutture spesso sono progettate utilizzando modelli a elementi finiti (FE): i modelli di geometria e previsioni di risultato derivanti da questi modelli sono molto utili per ottimizzare i test.

L’importazione di modelli FE dettagliati permette non soltanto di creare modelli di test più semplici ed estremamente precisi, ma anche di definire l’eccitazione e i gradi di libertà (DOF) della risposta per fare in modo che i risultati dei test siano i migliori possibili. Le previsioni del modello a elementi finiti possono poi essere messe in relazione con i risultati del test e i dati del test possono essere re-importati nei tool di simulazione per aggiornare i modelli FE.