CORSI 2020

CORSI AVANZATI

MECCANICA GUIDATA DAI DATI: APPROCCIO SENZA MODELLO COSTITUTIVO
20 – 24 aprile

Coordinatori:

Michael Ortiz (Istituto di Tecnologia della California, Pasadena, USA)
Laurent Stainer (École Centrale de Nantes, Francia)

Gli approcci classici alla modellazione e simulazione nella meccanica dei solidi sono basati su modelli costitutivi (ovvero sperimentali) del comportamento dei materiali che, completando le equazioni di equilibrio, consentono la soluzione di problemi pratici. In questo quadro, molti sforzi di ricerca sono stati dedicati al miglioramento dei modelli, con riferimento ad un'ampia gamma di materiali e varie tipologie di sollecitazione (ad esempio: termiche, meccaniche e chimiche), nonché ad una sempre più accurata identificazione delle costanti empiriche impiegate nei modelli stessi. Ciò ha portato ad una proliferazione di modelli sempre più specializzati ed accurati e tale proliferazione suggerisce di per sé l'incertezza epistemica intrinseca ai procedimenti classici. D'altra parte, se l'accuratezza associata alle costanti empiriche può essere quantificata, non altrettanto si può dire della scelta del modello più adatto ad ogni singolo problema e, di conseguenza, dell'accuratezza complessiva della procedura.
Storicamente, i primi modelli costitutivi si proponevano di estendere i risultati delle prove sperimentali eseguite in laboratorio a quante più possibili tipologie di sollecitazione incontrate nella pratica. Con i recenti progressi nelle tecniche di elaborazione delle immagini, tuttavia, le osservazioni sperimentali sono diventate così ricche di informazione da mettere spesso in crisi i modelli costitutivi. Recentemente, infatti, sono stati sviluppati approcci basati sui dati per sfruttare meglio i grandi volumi di informazione forniti dalle misure sperimentali moderne tentando, nel contempo, di evitare l'impiego dei modelli costitutivi.
Il corso presenta, appunto, un'introduzione coerente agli approcci basati sui dati senza l'utilizzo di modelli costitutivi, partendo dalla descrizione delle tecniche sperimentali per arrivare alle simulazioni numeriche di problemi tipici della meccanica non lineare delle strutture.

TEORIE AVANZATE SULLA DEFORMAZIONE, IL DANNEGGIAMENTO E LA ROTTURA DEI MATERIALI

4 - 8 Maggio 2020

Coordinatori:

Holm Altenback (Università Otto von Guericke, Magdeburgo, Germania)
Artur Ganczarski (Università Tecnologica di Cracovia, Polonia)

Le simulazioni numeriche stanno diventando uno strumento indispensabile in molte applicazioni riguardanti lavorazione, produzione e prestazioni di materiali metallici e compositi. Tali simulazioni si basano su modelli costituivi che devono tener conto dei meccanismi fisici e dei coefficienti numerici necessari per l'identificazione dei comportamenti caratteristici di ciascun materiale. Per contro, una descrizione puramente statistica che colleghi lo stato di un materiale a un insieme di dati, porta a un'estrapolazione inaffidabile a stati non inclusi nella base di dati. (Nota: osservazione critica nei confronti dell'approccio descritto nel corso precedente ma, naturalmente, l'approccio statistico è tanto più affidabile quanto più ampia è la base di dati ed, in tempi di "big data", la base è destinata ad estendersi).
Altre considerazioni sui modelli costitutivi includono la scala di descrizione del materiale, la dimensione della struttura e il tempo di calcolo necessario. La scala è dettata dalla più piccola informazione strutturale necessaria per caratterizzare un prodotto, ad esempio la meso-scala legata alla dimensione dei grani. In alcune situazioni, tuttavia, possono essere necessarie informazioni su micro-scale, ad esempio per la fabbricazione di micro-dispositivi.
Il corso si concentra sulla descrizione degli stati critici (deformazione, danneggiamento e rottura) dei materiali metallici e compositi avanzati. L'approccio adottato è basato sulla meccanica dei continui ma incorpora le informazioni legate alle scale più piccole mediante tecniche di omogeneizzazione. I risultati raggiunti vengono illustrati da una serie di esempi di applicazione a casi di interesse pratico.

PROBLEMI ACCOPPIATI MULTI-FISICA E MULTISCALA IN MECCANICA GEO-AMBIENTALE

11 - 15 Maggio 2020

Coordinatori:

Niels Kruyt (Università di Twente, Enschede, Olanda)
Oliver Millet (Università de la Rochelle, Francia)

Nell'ingegneria geo-ambientale si verifica una combinazione di fenomeni fisici che si influenzano mutuamente ad hanno luogo su diverse scale dimensionali. La comprensione approfondita di tali fenomeni sta diventando sempre più importante in molte nuove applicazioni. I moderni approcci multi-fisica e multi-scala ai problemi accoppiati si basano, essenzialmente, su tre livelli di analisi: (1) meccanica dei continui per le grandi scale, (2) simulazioni numeriche ad elementi discreti per le piccole scale e (3) metodi di omogeneizzazione per collegare il comportamento su piccola scala alla meccanica dei continui.
Nel corso sono illustrati i risultati di ricerca più recenti sulla omogeneizzazione di insiemi granulari secchi o parzialmente saturi d'acqua, sulle deformazioni e sollecitazioni medie associate, e sulle analisi di stabilità degli insiemi granulari. Le applicazioni includono, tra le altre, la previsione delle valanghe e delle frane.

ELETTRO- E MAGNETO-MECCANICA DEI SOLIDI SOFFICI: ESPERIMENTI, MODELLIZZAZIONE ED INSTABILITÀ

8 - 12 Giugno 2020

Coordinatori:

Kostas Danas (Scuola Politecnica, Palaiseau, Francia)
Oscar Lopiez-Pamies (Università dell'Illinois, Urbana-Champaign, USA)

Negli ultimi due decenni, la progettazione di nuovi materiali compositi con proprietà migliorate è stata oggetto di numerose ricerche. La maggior parte di tali ricerche si è concentrata sui materiali organici morbidi, grazie alla capacità di questi di dar luogo a grandi deformazioni reversibili se sottoposti a una varietà di stimoli esterni, quali campi elettrici e magnetici, e variazioni di temperatura o composizione chimica dell'ambiente esterno.
Il corso è focalizzato sull'elettro- e la magneto-meccanica di materiali e strutture composite morbide costituite da microstrutture e/o micro-architetture di scala variabile tra i nanometri ed i centimetri. Un'attenzione particolare è rivolta agli elastomeri magnetoreologici (MRE) ed ai compositi di elastomeri dielettrici (DEC), nei quali i micro-riempitivi sono incorporati in una matrice polimerica morbida. Su scala macroscopica (dell'ordine del millimetro ed oltre), tali compositi sono caratterizzati da una risposta magneto-elettro-meccanica significativa quando sono sottoposti a stimoli magneto-elettro-meccanici esterni. I dispositivi realizzati con MRE e DEC possono diventare instabili se soggetti a carichi elettromagnetici o meccanici critici, ma la loro risposta può essere ben controllata nel regime di post-instabilità. Questa proprietà motiva il loro impiego nella regione instabile per ottenere, ad esempio, cambiamenti di forma e movimenti robotici morbidi, realizzare muscoli artificiali, avere proprietà acustiche ed elettromagnetiche modulabili, e consentire una captazione di energia dall'ambiente unita ad una rigidezza controllabile (per la crescita cellulare).
Nel corso sono illustrate anche alcune tecniche sperimentali per la fabbricazione e il collaudo dei dispositivi MRE e DEC, oltre alle metodologie analitico-numeriche per la previsione del loro comportamento.

FISICA DELLE SOSPENSIONI GRANULARI: MICRO-MECCANICA DEI DEFLUSSI GEOFISICI

15 - 19 Giugno 2020

Coordinatori:

Marco Mazzuoli (Università di Genova, Italia)
Laurent Lacaze (Istituto di Meccanica dei Fluidi IMFT-CNRS, Tolosa, Francia)

Il corso illustra i più recenti progressi teorici, sperimentali e numerici nella modellizzazione delle sospensioni granulari di particelle. La ricerca è motivata dal crescente interesse scientifico e ingegneristico per i deflussi geofisici legati ai cambiamenti climatici, e dal grande impatto sulle attività socio-economiche dei sempre più numerosi eventi idrogeologici catastrofici. Un’attenzione particolare è riservata ai deflussi di detriti trasportati dai venti e dall’acqua, ai deflussi iperconcentrati, alle correnti torbide subacquee, ai movimenti striscianti e fluidi del suolo nelle frane, e al trasporto di sedimenti nei fiumi e lungo le rive dei laghi e dell'oceano, sia sul fondo sia in sospensione. La presenza di un liquido che saturi gli interstizi fra le particelle fa sì che la miscela presenti comportamenti tipici dei fluidi viscosi o dei flussi granulari densi. Tali comportamenti dipendono dalla concentrazione di particelle, dalle velocità relative tra le particelle e dalle proprietà elettrochimiche dei componenti della miscela. Lo scopo del corso, tuttavia, è lo studio del solo problema idraulico nelle ipotesi semplificative di fluido acqua e di particelle in sospensione rugose e inerti (non colloidali e non adesive). Per completezza, comunque, è previsto anche un breve excursus sulla reologia delle sospensioni complesse.
Nella soluzione dei problemi sono possibili approcci continui basati su modelli a una fase sola, ovvero a "singolo fluido efficace", o a due fasi basati sull’impiego della teoria delle miscele. In alternativa, sono possibili approcci discreti, che richiedono l'uso di metodi numerici per descrivere il comportamento delle singole particelle e devono, di conseguenza, essere ripetuti per ogni particella trasportata dal fluido. A conclusione del corso, i modelli proposti sono applicati ai deflussi geofisici ed i risultati ottenuti sono discussi criticamente.

METAMATERIALI IN ACUSTICA, ELASTODYNAMICA ED ELETTROMAGNETISMO

15 - 19 Giugno 2020

Coordinatori:

Habib Ammari (Scuola Politecnica Federale ETH, Zurigo, Svizzera)
Agnès Maurel (Istituto Langevin, Parigi, Francia)

Negli ultimi anni si è avuta una rivoluzione in fisica e ingegneria legata alla produzione di metamateriali e metasuperfici con l'obiettivo di raggiungere il pieno controllo delle onde acustiche, elastiche ed elettromagnetiche. Ciò è stato possibile concependo e progettando nuovi materiali, i metamateriali appunto, il cui comportamento macroscopico deriva da una struttura specifica, spesso periodica su scala microscopica, piuttosto che direttamente dalla composizione chimica. Materiali di questo tipo hanno trovato numerose applicazioni pratiche tra le quali la mascheratura e la curvatura dei raggi luminosi, l'imaging medico (in questo caso ecografie e risonanze magnetiche), la schermatura, e l'assorbimento perfetto delle onde.
In acustica, un esempio ben noto sono i vasi utilizzati negli antichi teatri greci, e in seguito nelle chiese e nelle moschee, per controllare l'acustica dei luoghi: questi vasi sono dei risonatori di Helmholtz e oggi sono utilizzati per l'insonorizzazione delle pareti edilizie.
Esempi più recenti di tecnologie semplici per il controllo delle onde sono la realizzazione di cunei antismici formati da una foresta di alberi in grado di convertire le onde di superficie in onde di volume che si propagano principalmente verso il basso. Un altro esempio è la realizzazione di frangiflutti per proteggere i litorali.
Lo scopo del corso è l'introduzione a tecniche avanzate per la progettazione di metamateriali fornendo, insieme, gli strumenti matematici in grado di spiegare le proprietà osservate e di ottimizzare le proprietà stesse. Particolare attenzione è rivolta alla presentazione di applicazioni pratiche che illustrano il funzionamento e l'efficacia delle tecniche introdotte e preparano il terreno a nuove possibili applicazioni in acustica, elastodinamica ed elettromagnetismo. Tenendo conto di questi obiettivi, durante il corso saranno illustrati sia studi sperimentali a carattere accademico sia dispositivi commerciali.

CISM - IUTAM (Unione Internazionale di Meccanica Teorica e Applicata) - Scuola Estiva su

FENOMENI SEMPLICI ED ACCOPPIATI DI INSTABILITÀ E BIFORCAZIONE NEI SOLIDI

22 - 26 Giugno 2020

Coordinatori:

Luis Dorfmann (Università Tufts, Medford, MA, Stati Uniti)
Ray Ogden (Università di Glascow, Regno Unito)

Il corso si propone di illustrare lo "stato dell'arte" dei modelli e delle ricerche in corso sull'instabilità, e i fenomeni di biforcazione nei solidi sottoposti a grandi deformazioni includendo gli effetti di campi elettrici nei materiali e di crescita nei sistemi biologici. (Biforcazione è la possibilità di arrivare a configurazioni di equilibrio diverse con la stessa sollecitazione).
La teoria generale della biforcazione, dell'instabilità e della non unicità delle soluzioni viene discussa come premessa agli esempi di applicazione. Le applicazioni descritte sono le instabilità di materiale, superficie, interfaccia e flessione di tipo diffuso. Sono esaminati in dettaglio i fenomeni di biforcazione localizzata, tra i quali il rigonfiamento dei tubi e, nelle piastre, l'assottigliamento, la flessione indotta da sforzi di taglio, il corrugamento e la piegatura spuria.
In presenza di campi elettrici si applicano le equazioni della elettro-elasticità che, ad esempio, prevedono il corrugamento, in presenza di potenziali elettrici, degli attuatori costituiti da film sottili di elastomero. In tale contesto si può arrivare all'instabilità e alla rottura del film, rendendo l'attuatore inefficace.
Infine, i metodi di analisi della stabilità si applicano alla meccanica dei tessuti molli, con particolare riguardo alle instabilità associate alla crescita e al rimodellamento dei tessuti biologici. Durante la crescita, ad esempio, le instabilità sono utilizzate costruttivamente dalla natura per formare strutture, come nel caso del piegamento dei tessuti per ottenere le diverse parti del cervello. D'altra parte stabilità e instabilità mal controllate durante la crescita possono anche generare patologie che vanno evitate.

VITA NEI FLUIDI

6 - 10 Luglio 2020

Coordinatori:

Christophe Elloy (Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre - IRPHE, Centrale Marseille, Francia)
Eric Lauga (Università di Cambridge, Regno Unito)

Sia nell'oceano sia nell'aria, gli organismi biologici interagiscono con un fluido circostante, e queste interazioni sono spesso fondamentali per la sopravvivenza. In che modo questi organismi percepiscono i flussi circostanti? Come reagiscono a queste informazioni sensibili? E quali sono le forze applicate dai flussi agli organismi? Oggi, molti di questi problemi di interazione fluido-struttura non sono pienamente compresi e molti sforzi di ricerca sono dedicati a svelare i complessi meccanismi in gioco.
Alla scala più piccola si trovano i batteri che, nonostante le ridottissime dimensioni, rappresentano la maggior parte della biomassa nel Mondo. In genere i batteri si muovono grazie a flagelli, che sono appendici elicoidali azionate da organi motori specializzati. Nei batteri immersi nei fluidi, oltre ai sistemi di motilità sono di grande interesse il comportamento delle cellule nei deflussi, legato all'accoppiamento tra lo strato chimico-osmotico interno e la relativa trasduzione sensoriale.
Su una scala più grande si trova il plancton. Le tre principali missioni di qualsiasi organismo (crescere, riprodursi e sopravvivere) dipendono dagli incontri con il cibo e i compagni e dalla capacità di evitare, nel contempo, gli incontri con i predatori. Attraverso la selezione naturale, il comportamento e l'ecologia, gli organismi planctonici si sono evoluti per ottimizzare questi compiti. Nel corso si descrive un approccio meccanicistico allo studio dell'ecologia degli oceani basato sulle interazioni biologiche nel plancton a livello di singoli organismi.
Salendo ancora di scala si incontrano gli insetti. Nel corso ci si occupa del loro volo partendo dalle equazioni di Navier-Stokes che governano anche l'aerodinamica instabile del volo ad ala battente. Ciò porta a nuove interpretazioni e previsioni sul funzionamento degli organi interni che presiedono al volo.
Gli organismi più grandi sono i pesci. Abitualmente, essi incontrano flussi instabili, ad esempio quando nuotano dietro le rocce di un fiume o quando si muovono in banchi. Nel corso ci si occupa della meccanica, dell'energetica e del controllo del nuoto mostrando come i pesci possono percepire le correnti attraverso la loro linea sensoriale laterale e come possano estrarre energia dal loro ambiente.
Il corso si occupa anche del movimento collettivo degli animali: un comportamento onnipresente che può essere riscontrato negli sciami di insetti, nei banchi di pesci, nelle acrobazie degli stormi di uccelli e, persino, nei movimenti delle folle di persone. Come si vedrà, in tutti questi casi l'ordine su larga scala può emergere dalle interazioni locali senza bisogno di alcun leader, anche in caso di attacchi predatori (almeno nel regno animale se non tra gli umani).
Infine, il corso esamina le procedure utilizzate dagli organismi per seguire la fonte di odori
nelle correnti. Queste procedure dipendono dalla dimensione degli organismi e dalle informazioni di rilevamento disponibili. Su piccola scala, i batteri usano una camminata casuale distorta per seguire i gradienti di concentrazione ma, su scale più grandi, i gradienti non sono più un'informazione rilevante. Falene e grandi crostacei, ad esempio, utilizzano procedure che combinano movimenti apparentemente casuali spostandosi attraverso la traccia olfattiva.

CISM – AIMETA (Associazione Italiana di Meccanica Teorica e Avanzata) – Scuola avanzata su

SFRUTTAMENTO DELLE FORTI NON-LINEARITÀ IN DINAMICA E ACUSTICA

13 - 17 Luglio 2020

Coordinatori:

Oleg V. Gendelman (Istituto di Tecnologia di Israele - Technion,)
Alexander V. Vakakis (Università dell’Illinois, Urbana, Stati Uniti)

Nell'ingegneria, generalmente si assume che i problemi siano lineari o debolmente non-lineari. (Ciò significa che si può usare il principio di sovrapposizione degli effetti di più sollecitazioni). Nella pratica, tuttavia, si incontrano spesso forti non-linearità a causa, ad esempio, di giochi, urti anaelastici, attriti, materiali con risposte non-lineari. Ciò nonostante, la ricerca in continua espansione di strutture sempre più leggere e compatte e di prestazioni sempre maggiori hanno spinto ad affrontare situazioni sempre più difficili in ambienti non descrivibili sulla base delle teorie tradizionali. Tutto ciò ha spinto ad un nuovo approccio basato sullo sfruttamento delle forti non-linearità per arrivare ad un design affidabile in modi nuovi.

Negli ultimi due decenni, lo sfruttamento delle forti non linearità ha trovato applicazione in settori quali l’assorbimento e la raccolta di energia, la propagazione, la modulazione e l'arresto delle onde, la mitigazione di esplosioni e di sollecitazioni sismiche, la realizzazione di micro- e nano-risonatori, le interazioni fluido-struttura, e la progettazione di metamateriali acustici. D’altra parte, l'analisi predittiva di sistemi fortemente non lineari è ancora una grande sfida, poiché non esistono procedure generali che portino a soluzioni esatte o approssimate. Si è fatta strada, tuttavia, l'idea di sfruttare le forti non linearità nei sistemi dinamici e acustici e si è passati dai primi lavori teorici ad un ragguardevole corpo di applicazioni.

In tale contesto, il corso si propone di illustrare lo stato dell’arte nelle analisi di sistemi dinamici e acustici fortemente non lineari, presentando anche alcune applicazioni pratiche che evidenziano le potenzialità di questo nuovo approccio.

MATERIALI E DISPOSITIVI ELETTROMECCANICI E BIOMEDICI BASATI SULLE NANOFIBRE

20 - 24 Luglio 2020

Coordinatori:

Tomasz A. Kowalewski (Istituto di Ricerca Tecnologica di Base - IPPT-PAN, Varsavia, Polonia)
Alexander L. Yarin (Università dell'Illinois, Chicago, Stati Uniti)

Negli ultimi anni è aumentato l'interesse per lo sviluppo di nuovi micro- e nano-materiali. Il corso si propone, appunto, di illustrare lo "stato dell'arte" nello sviluppo di materiali e dispositivi a base di nanofibre (NF) per applicazioni biomediche avanzate.

I nanotubi in NF del tipo "core-shell", riempiti con agenti curativi, sono elementi chiave per la somministrazione controllata di farmaci in loco. Molto importanti sono anche i nanogeneratori triboelettrici realizzati con NF di termopolimeri (l'effetto triboelettrico è quello che produce, ad esempio, l'elettricità statica). Altre applicazioni importanti perché in grado di rispondere a sollecitazioni termiche, sono i muscoli soffici in NF impregnate di etanolo, e gli attuatori soffici termo-pneumatici in NF configurate a vescica. Infine, le NF metallizzate sono materiali elettricamente conduttivi e trasparenti, che trovano applicazione nel trattamento delle emorragie.

Le proprietà ottiche, elettroniche e fotoniche delle NF sono utilizzate anche nei dispositivi elettromeccanici e biomedici basati su gruppi funzionali come i polimeri coniugati, le molecole organiche che emettono luce, le sostanze coloranti e i polimeri piezoelettrici. Inoltre, le NF possono essere utilizzate nella realizzazione di guide d'onda dielettriche miniaturizzate, amplificatori ottici, laser allo stato solido, fibre ottiche attive e rivestimenti superficiali per dispositivi elettromeccanici indossabili e impiantabili. Infine, le NF intervengono nello sviluppo di nuovi materiali compositi, in quanto aumentano la durezza e la resistenza all’usura della matrice polimerica.

MECCANICA DEI GEL INTELLIGENTI E BIO-IBRIDI: ESPERIMENTI, TEORIA E SIMULAZIONE NUMERICA

31 AGOSTO - 4 SETTEMBRE 2020

Coordinatori:

Mattia Bacca (Università della Columbia Britannica, Vancouver, Canada)
Alessandro Lucantonio (Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa)

(I gel intelligenti, o smart-gels, sono strutture polimeriche in grado di assorbire liquidi per poi rilasciarli in presenza di cambiamenti di temperatura, acidità o concentrazione di metaboliti nell’ambiente. Gli idrogeli bio-ibridi devono il loro nome al fatto di essere realizzati con gelatina naturale rinforzata da un reticolo sintetico.) Il corso si propone di gettare un ponte tra meccanica, chimica, fisica e biologia per consentire ai ricercatori provenienti da varie discipline di seguire i nuovi e rapidi sviluppi nel settore della materia molle attiva.

Attualmente, molti trattamenti sanitari che interessano la somministrazione di farmaci e le tecnologie di trapianto dei tessuti richiedono una profonda comprensione delle condizioni fisiologiche dei tessuti viventi coinvolti. Per raggiungere questa comprensione, è necessario tenere conto dell'accoppiamento tra il comportamento meccanico dei tessuti e la loro attività biochimica su più scale di lunghezza che vanno da quella cellulare a quella degli organi. In questo quadro sono, evidentemente, richieste competenze interdisciplinari e la capacità di combinare concetti fondamentali di diverse discipline.

I docenti, specializzati nei settori coinvolti, forniranno quindi un quadro esauriente dei concetti di base necessari a lavorare in gruppi multidisciplinari impegnati in sperimentazioni, ricerche teoriche e simulazioni numeriche concernenti la materia molle attiva.

MECCANICA DELLE CELLULE E DEI TESSUTI OSSEI

7-11 SETTEMBRE 2020

Coordinatore:

Bert van Rietberger (Università Tecnologica di Eindhoven, Olanda)

L’osso è un materiale molto interessante: resistente eppure leggero, si adatta alle variazioni di carico, dura per l’intera vita e si auto-ripara dopo una frattura. Nonostante i progressi compiuti dalla biologia, i processi di formazione e rimozione dei tessuti ossei non sono ancora pienamente compresi, soprattutto per quel che riguarda i meccanismi di controllo e l’influenza dei carichi meccanici sul rimodellamento osseo. L’obiettivo del corso, infatti, è quello di illustrare lo stato delle conoscenze su questi argomenti, con riferimento ai tre diversi livelli di organizzazione dell’osso: organo, tessuto e cellule. Il corso è di natura multidisciplinare e include argomenti come la biologia dell’osso, le tecniche di produzione di immagini e i modelli computazionali.

A livello d’organo, l’obiettivo è valutare la resistenza ossea mediante metodologie di visualizzazione e simulazione numerica. A questo livello, il rimodellamento è, spesso, considerato un processo di ottimizzazione che adatta la densità e la forma dell’osso alle condizioni di carico meccanico. Sono, tuttavia, in corso ricerche che spiegano anche i meccanismi di tale adattamento.

A livello di tessuto, l’osso è caratterizzato da strutture porose tridimensionali molto complesse, che hanno la capacità di adattarsi a carichi meccanici variabili in un ampio intervallo. Grazie alle metodologie di visualizzazione “in vivo” e di modellizzazione tridimensionale resesi disponibili negli ultimi due decenni, è stato possibile formulare descrizioni attendibili di questi processi di adattamento, e dell’influenza esercitata su di essi da diverse patologie.

A livello cellulare, sono discusse le teorie più promettenti per spiegare come l’influenza dei carichi sia percepita dalle cellule attraverso sensori molecolari che consentono la trasmissione dei segnali. A questo livello, anche la porosità del tessuto osseo diventa un fattore importante, poiché si presume che il fluido interno svolga un ruolo di primo piano nel sistema meccano-sensoriale rendendo possibile, appunto, la trasmissione dei segnali in un ambiente liquido. A livello sistemico, infine, un fattore di progresso importante sono le tecniche, disponibili da alcuni anni, per la visualizzazione di micro-strutture, e le tecniche per stimolare e manipolare le cellule come, ad esempio, i dispositivi micro-fluidici impiegati nello studio della meccano-biologia delle cellule ossee. Altrettanto importanti sono i metodi di stampa tridimensionale degli impianti di stimolazione ossea, e le procedure di ingegneria tissutale per la realizzazione di modelli tridimensionali delle ossa stesse personalizzati per ogni singolo paziente.

MECCANICA COMPUTAZIONALE PER LA PROGETTAZIONE INNOVATIVA DI MATERIALI AVANZATI

5-8 OTTOBRE 2020

Coordinatori:

Michele Marino (Università Leibniz di Hannover, Germania)
Jörg Schörder (Università di Duisburg-Essen, Germania)

I più recenti progressi tecnologici aprono la via all’ottimizzazione del comportamento funzionale delle strutture, includendo una fase di progettazione dei materiali impiegati. Ad esempio, la produzione additiva, ovvero la stampa tridimensionale, consente un controllo più efficace delle forme e rende possibile la scelta di componenti e la progettazione della struttura dei materiali utilizzati.

La nuova procedura di progettazione, però, richiede: 1) scelte opportune della micro/nano-struttura dei materiali, 2) nuovi metodi di ottimizzazione forme, e 3) nuove tecniche di fabbricazione. La combinazione di più materiali, con differenti risposte elastiche e anelastiche è, di per sé, una strategia stimolante che potrebbe portare a nuove classi di comportamenti intelligenti. Quest'ultimo approccio, ad esempio, ha riscontri in natura dal momento che i tessuti organici sono ottimizzati gerarchicamente attraverso vari meccanismi chemio-biologici.

Le tecniche assistite da computer consentono di accelerare e ridurre i costi delle procedure di ottimizzazione della struttura e delle forme dei materiali. L’accuratezza delle simulazioni numeriche, tuttavia, è fortemente influenzata dall'accuratezza e dall’affidabilità dei modelli costitutivi (ovvero dei modelli di comportamento dei materiali). Pertanto, lo sviluppo di approcci computazionali avanzati è associato al raggiungimento di un equilibrio delicato tra

precisione, robustezza e costi. Per raggiungere questo equilibrio, è essenziale una solida comprensione degli aspetti metodologici e una vasta conoscenza degli strumenti disponibili.

Lo scopo del corso è presentare lo "stato dell'arte" e delineare le direzioni future degli "approcci computazionali per l'analisi della meccanica dei materiali" al fine di "fornire una prospettiva moderna sugli strumenti che sono e saranno disponibili per la progettazione di materiali avanzati".

La prima difficoltà da affrontare è l'omogeneizzazione delle proprietà risultanti dall’impiego di più materiali, e richiede analisi multi-scala e multi-fisiche. I materiali per le moderne esigenze ingegneristiche devono essere progettati per le applicazioni, spesso innovative, ed è facile prevedere che saranno metamateriali, che andranno dagli idrogeli intelligenti ai compositi magneto-meccanicamente accoppiati, fino ai MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems, ovvero Micro Sistemi Elettro-Meccanici). Gli approcci teorici e metodologici descritti consentiranno di discutere gli aspetti fondamentali del processo di produzione del materiale dalla progettazione, all'ottimizzazione delle forme, sino alla produzione.

FENOMENI DI TRASPORTO SULLE SUPERFICI STRUTTURATE: FONDAMENTI ED APPLICAZIONI

12-16 OTTOBRE 2020

Coordinatori:

Darren Crowdy (Imperial College, Londra)
Marc Hodes (Università Tufts, Medford, Massachusetts, USA)

Negli ultimi venti anni, numerosi laboratori hanno utilizzato tecniche di nano- e micro- fabbricazione per produrre superfici con proprietà chimiche e strutturali che imitano il comportamento delle superfici super idrofobiche (SI) naturali. (La più nota delle superfici SI naturali è la foglia di loto che mostra eccezionali caratteristiche di non bagnabilità oltre alla capacità di autopulirsi). Sulle superfici SI l’acqua si presenta sotto forma di goccioline che non penetrano all’interno delle micro cavità esistenti (stato di Cassie), mentre sulle superfici che si bagnano l’acqua può penetrare (stato di Wenzel che, talvolta, è desiderato).

Nel corso si illustrano gli aspetti fondamentali dei fenomeni di trasporto sulle superfici SI e le equazioni che lo governano, con riferimento sia alle singole gocce sia al deflusso di liquidi. In tale contesto si esaminano i principi fondamentali di micro-fabbricazione per ottenere il comportamento SI, compresi quelli basati sulle tecnologie di trattamento dei polimeri. Altri punti importanti sono la prevenzione della formazione di ghiaccio sulle superfici, e l'incremento degli scambi termici durante l'ebollizione e la condensazione superficiali. Inoltre si descrive il controllo elettrodinamico della bagnabilità basato sul passaggio dallo stato di Cassie a quello di Wenzel sotto l'azione di un potenziale elettrico. Infine, si esaminano le superfici SI con proprietà multifunzionali come attività fotocatalitica, antiriflesso, resistenza all'abrasione e caratteristiche antisdrucciolo.

PRODUZIONE ADDITIVA IN METALLO: FONDAMENTI, MODELLIZZAZIONE, MATERIALI E IMPLEMENTAZIONE

19-23 OTTOBRE 2020

Coordinatori:

Cristoph Meier (Università Tecnica di Monaco, Germania)
A. John Hart (MIT - Massachisetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA)

(Produzione Additiva - PA è il nome dato alle tecnologie di fabbricazione nelle quali il materiale viene aggiunto strato per strato, senza la necessità di fonderlo in stampi o rimuoverlo da una forma grezza. Per questo la PA viene indicata anche con il nome di Stampa 3D). La PA in metallo offre la massima flessibilità, una libertà di progettazione pressoché illimitata e la possibilità di controllare punto per punto la microstruttura e le proprietà meccaniche dei manufatti. Tuttavia, una scelta non ottimale dei parametri di processo porta spesso a elevate tensioni residue, deformazioni dimensionali, porosità, microstrutture indesiderate e, persino, a guasti del pezzo durante la produzione. Il corso illustra i fondamenti fisici della PA in metallo fornendo, nel contempo, le basi fisiche per la modellizzazione e simulazione dei processi su più scale, per la scelta dei materiali, e per l'implementazione e il controllo dei processi.

Attualmente, i processi di PA in metallo più diffusi sono la fusione a letto di polvere ottenuta, impiegando, ad esempio, un laser ad alta potenza nelle varianti SLM (Selective Laser Manufacturing) e SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva), oppure un fascio di elettroni convogliato sull'obiettivo EBM (Electron Beam Manufacturing), o focalizzando sull'obiettivo una sorgente di energia ad alta potenza come una torcia la plasma DED (Direct Energy Deposition). Nei prodotti, il problema più serio sono i difetti che vanno rilevati mediante tecnologie "in situ" (come la Tomografia Computerizzata-CT a raggi X) o "ex situ" (come il monitoraggio della densità ed il controllo della geometria). Per la progettazione è necessaria una conoscenza approfondita dei processi di solidificazione e di formazione delle micro-strutture quale presupposto all'impiego dei modelli di simulazione finalizzati alla previsione di tensioni residue di origine meccanica o termica ed all'insorgere di deformazioni dimensionali.

MEETINGS ED EVENTI

Corso CISM – UniUD su

OTTIMIZZAZIONE DELLA FORMA E DELLE PROPRITÀ DEL MATERIALI: METODI MATEMATICI AVANZATI E STAMPA 3D

18-22 MAGGIO 2020

Coordinatori:

Giovanni Noselli (SISSA, Trieste)
Rodica Toader (Università di Udine, Udine)

La stampa 3D, o produzione additiva PA, ha reso possibile la realizzazione di singoli componenti caratterizzati da una complessità non raggiungibile con le tecnologie tradizionali. Rappresenta quindi un passo avanti verso l'ottimizzazione delle forme, il risparmio dei materiali, e la riduzione dei costi e dell'impatto ambientale. Mentre la PA viene continuamente migliorata, molti sforzi di ricerca sono dedicata alla progettazione ottimale di materiali compositi con micro-strutture caratterizzate da proprietà senza precedenti.

Il corso illustra alcuni strumenti matematici avanzati per modellare i comportamenti elastico e anelastico dei solidi, e le applicazioni della PA alle tecnologie ingegneristiche. Tra gli strumenti matematici, la tecnica della gamma-convergenza facilita l'omogeneizzazione delle proprietà dei materiali compositi, e giustifica l'uso di modelli continui anche in presenza di crepe nei materiali fragili. Un altro strumento matematico, la topologia (ovvero lo studio delle proprietà geometriche che non cambiano in presenza di deformazioni senza "strappi", "sovrapposizioni" o "incollature") facilita l'ottimizzazione delle forme.

Particolare attenzione è dedicata all'analisi delle proprietà meccaniche dei materiali e delle strutture ottenute con questi metodi, nonché allo studio dei fenomeni di instabilità nei compositi a struttura periodica, e alla propagazione delle onde elastiche nelle micro-strutture.

Infine, si illustra come l'impiego di metodi numerici per determinare la resistenza effettiva alla frattura dei solidi eterogenei ottenuti con le tecniche di stampa 3D consenta di produrre componenti con proprietà di cedimento migliorate.

CORSI APT (ADDESTRAMENTO PROFESSIONALE AVANZATO) INTERNAZIONALI

MECCANICA COMPUTAZIONALE DISCRETA DELLE STRUTTURE IN MURATURA

27-31 LUGLIO 2020

Coordinatori:

Katalin Bagi(Università Economica e Tecnologica di Budapest)
Maurizio Angelillo (Università di Salerno, Fisciano)

(A differenza della formulazione continua, quella discretizzata suddivide la struttura in blocchi rigidi collegati ai confini). La formulazione discretizzata descrive molto bene le strutture in muratura che sono effettivamente costituite da blocchi solidi collegati a secco o legati con malte di diverse composizioni. Tali strutture appaiono ovunque intorno a noi e la valutazione della loro integrità pone serie sfide perché i metodi di calcolo tradizionali, basati su formulazioni continue, non sempre conducono a risultati attendibili. Ciò succede, ad esempio, quando le rotture sono collegate a effetti locali come crepe che si aprono tra i conci (ovvero tra i blocchi di pietra squadrata), o come la fuoriuscita di singoli conci dal muro. In questi ultimi casi il comportamento può essere meglio descritto considerando la struttura come un insieme di corpi collegati ai confini, ovvero applicando i metodi della meccanica computazionale discreta.

L’obiettivo del corso è fornire un'introduzione dettagliata alla meccanica computazionale discreta illustrandone sia i vantaggi sia i limiti. Pur senza entrare in dettagli troppo specialistici sulle descrizioni di procedure come la statica grafica computerizzata, il metodo degli elementi discreti DEM, o i modelli a blocchi soggetti a fessurazioni parziali (“blocky models”) è opportuno ricordare che il corso dedica un’attenzione particolare al comportamento dinamico delle strutture in muratura. Le strutture in muratura, infatti, sono molto sensibili ai terremoti e, di conseguenza, l'analisi sismica è una questione cruciale nella valutazione del loro comportamento. In caso di terremoto, ad esempio, lo scorrimento de contatti e lo smorzamento delle sollecitazioni sono meccanismi importanti per la dissipazione di energia e la capacità di adattarsi agli spostamenti del terreno. Per questo, diverse lezioni saranno dedicate allo smorzamento e alle dinamiche dei grandi spostamenti che caratterizzano il collasso delle strutture in muratura durante i terremoti.