Dottorando in Ingegneria Meccanica , 40o ciclo (2024-2027)
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale (DIMEAS)
Profilo
Dottorato di ricerca
Argomento di ricerca
Analisi Sperimentale e Previsione Numerica della Propagazione delle Cricche da Fatica nei Dischi Freno dei Treni ad Alta Velocità
Tutori
Keywords
Biografia
Ho conseguito la laurea magistrale in Ingegneria Meccanica presso la Iran University of Science and Technology nel 2019. Da allora, ho partecipato a progetti di ricerca accademici e industriali nel campo della meccanica dei solidi. Negli ultimi anni ho lavorato come assistente di ricerca presso la Iran University of Science and Technology e la Technical University of Denmark, consolidando le mie competenze nella modellazione numerica avanzata, caratterizzazione dei materiali e analisi a fatica di strutture ingegneristiche soggette a carichi complessi.
I miei principali interessi di ricerca riguardano la simulazione numerica del comportamento non lineare dei materiali, la valutazione della vita a fatica e creep e l’analisi dell’integrità strutturale dei materiali metallici. Durante la mia attività professionale ho studiato componenti come pale di turbine a gas soggette a carichi ciclici e alte temperature, condizioni in cui il comportamento non lineare del materiale è fondamentale per l’integrità strutturale.
Ho inoltre esperienza nelle prove di fatica su larga scala di strutture composite, come pale eoliche. Il mio lavoro ha incluso prove sperimentali da provini a componenti in scala reale, oltre al post-processing dei dati per stimare la vita a fatica sotto carichi ciclici. Ho anche sviluppato simulazioni avanzate agli elementi finiti per prevedere la propagazione delle cricche in differenti condizioni operative. Queste attività mi hanno fornito una solida comprensione della relazione tra risultati sperimentali e previsioni numeriche, in particolare nell’innesco e propagazione delle cricche da fatica. Ho inoltre acquisito esperienza pratica nelle normative ingegneristiche, procedure di certificazione industriale e problematiche sperimentali associate alle prove di fatica full-scale.
Dichiarazione di Ricerca:
Il disco freno è uno dei componenti più critici per la sicurezza nei treni ad alta velocità. Durante la frenata, il disco dissipa l’energia cinetica tramite l’attrito tra pastiglie e superficie del disco. L’aumento della velocità operativa dei treni moderni comporta, soprattutto nelle frenate di emergenza, elevate quantità di calore sulla superficie di contatto, con possibile innesco e propagazione di cricche. Poiché i dischi freno operano frequentemente ad alte temperature, comprendere il comportamento del materiale dipendente dalla temperatura è essenziale per prevederne la vita utile.
L’obiettivo di questa ricerca è sviluppare un framework numerico avanzato capace di prevedere distribuzioni di tensione e deformazione nei dischi freno e stimare sia la vita a innesco sia la propagazione delle cricche in condizioni operative. Tale strumento è fondamentale per migliorare sicurezza, affidabilità e durata dei dischi freno dei treni ad alta velocità. La metodologia proposta integra modelli avanzati dei materiali, analisi a fatica e meccanica della frattura in un unico framework computazionale.
Una previsione affidabile della vita a fatica richiede un’accurata caratterizzazione dei materiali. Per questo motivo, il progetto include una campagna sperimentale sulla lega di acciaio ad alta resistenza selezionata in collaborazione con Wabtec. Le prove comprenderanno test monotoni, ciclici e di fatica a temperature fino a 700 °C.
Le prove di trazione monotona saranno eseguite secondo gli standard ASTM International E8 per determinare modulo elastico, tensione di snervamento, resistenza ultima e duttilità. Le prove di fatica oligociclica seguiranno ASTM E606 o ISO 12106 per caratterizzare plasticità ciclica e resistenza a fatica in condizioni di deformazione controllata. Per la propagazione delle cricche sarà utilizzata ASTM E647 per determinare la velocità di cresccita secondo la legge di Paris. I risultati sperimentali saranno utilizzati per calibrare e validare i modelli numerici sviluppati.
Una delle principali motivazioni della ricerca riguarda i limiti degli attuali metodi industriali di valutazione della fatica. In molti settori la stima della vita utile segue la linea guida FKM, principalmente orientata alla fatica ad alto numero di cicli. Tuttavia, i dischi freno dei treni moderni sono soggetti a severi carichi termo-meccanici che causano non linearità del materiale e deformazioni plastiche localizzate. In tali condizioni, i modelli convenzionali non forniscono previsioni accurate. Inoltre, le linee guida industriali hanno difficoltà a trattare temperature superiori a 400 °C, facilmente raggiungibili durante frenate di emergenza o ripetute frenate ordinarie.
Questa ricerca mira quindi a sviluppare una procedura più affidabile e rappresentativa per la stima della vita a fatica dei dischi freno, considerando l’intera storia dei carichi operativi. La metodologia includerà comportamento non lineare dei materiali, proprietà dipendenti dalla temperatura e concetti avanzati di meccanica della frattura.
Le attività previste comprendono anche la simulazione numerica della propagazione delle cricche esistenti sulla superficie del disco freno. Tecniche avanzate come il metodo XFEM saranno utilizzate per simulare la crescita delle cricche senza remeshing continuo. Questi strumenti permetteranno una migliore comprensione dei meccanismi di evoluzione delle cricche e della loro influenza sull’integrità strutturale e sulla vita utile dei dischi freno.
Nel complesso, questa ricerca combina caratterizzazione sperimentale dei materiali, simulazioni numeriche avanzate e meccanica della frattura per sviluppare una metodologia migliorata di previsione della vita a fatica dei dischi freno dei treni ad alta velocità. I risultati contribuiranno sia alla comprensione scientifica della fatica termo-meccanica sia allo sviluppo di sistemi frenanti più sicuri e affidabili per le future applicazioni ferroviarie ad alta velocità.