Finite elements for actuation of composite shell structures through shape memory alloys

Shape memory alloys (SMA) represent an important class of multi-phase smart materials that have the ability to recover huge deformations. In aerospace field, most applications are based on the use of SMA as components in smart systems, especially for actuation purpose. The increasing number of SMA-based applications have motivated researchers to formulate constitutive models able to catch the complex thermo-mechanical behavior of these materials and to develop robust computational tools for advanced design purposes. However, such a research field is still under progress, especially in the prediction of several important effects characterizing SMA. One of these effects is the change in the transformation behavior with increasing number of cycles, named functional fatigue. Another effect that is still an open issue in constitutive modeling research is the simulation of different microstructural conditions. Motivated by the described framework, the thesis is dedicated to introduce the functional fatigue or microstructural changes, as the reduction of performance for an actuator, into a design tool such as a finite element model. Concerning the constitutive modeling, the present thesis proposes to start from an already robust model to implement modifications that allow evaluating the two effects of functional fatigue and microstructural conditions. Numerical implementation is going to be pursued using commercial software commonly used to design SMA actuators with the aim of being effective in exploiting the model for practical purposes. The constitutive and numerical modeling activities are completed by experimental characterization of NiTi SMA wires. Finally, regarding the application to aerospace smart system, the thesis focuses on the use of SMA actuators for the design of morphing skins based on corrugated shell geometries applied to composite materials.

Le leghe a memoria di forma (SMA) rappresentano un'importante classe di materiali intelligenti multifase che hanno la capacità di recuperare grandi deformazioni. Nel settore aerospaziale, la maggior parte delle applicazioni si basa sull'utilizzo di SMA come componenti in sistemi intelligenti, in particolare per scopi di attuazione. Il crescente numero di applicazioni basate sugli SMA ha motivato i ricercatori a formulare modelli costitutivi in grado di cogliere il complesso comportamento termo-meccanico di questi materiali e di sviluppare robusti strumenti computazionali per scopi di progettazione avanzata. Tuttavia, tale campo di ricerca è ancora in fase di sviluppo, soprattutto nella previsione di diversi effetti importanti che caratterizzano gli SMA. Uno di questi effetti è il cambiamento nel comportamento con un numero crescente di cicli, denominato fatica funzionale. Un altro effetto che è ancora un problema aperto è la simulazione di diverse condizioni microstrutturali. Motivata dal quadro descritto, la tesi è dedicata a introdurre la fatica funzionale o le modifiche microstrutturali come riduzione delle prestazioni di un attuatore, in uno strumento di progettazione come un modello ad elementi finiti. Per quanto riguarda la modellizzazione costitutiva, la tesi propone di partire da un modello già robusto per implementare modifiche che consentano di valutare i due effetti della fatica funzionale e delle condizioni microstrutturali. L'implementazione numerica verrà perseguita utilizzando software commerciali comunemente usati per progettare attuatori SMA con l'obiettivo di essere efficaci nello sfruttamento del modello per scopi pratici. Le attività di modellizzazione costitutiva e numerica sono completate dalla caratterizzazione sperimentale degli SMA, in particolare di fili in NiTi. Infine, per quanto riguarda l'applicazione nel campo dei sistemi aerospaziali intelligenti, la tesi si concentra sull'uso di attuatori SMA per la progettazione di pelli morphing, basate su geometrie di gusci corrugati applicate a materiali compositi.