Validazione di un modello di terreno tramite metodo SPH per analisi di impatto

With the increasing popularity of gliding, the need to invest in passive safety in aircraft design has played a key role. Particular attention has been paid to the impact of aircraft on a soft surface, where the transfer of loads to occupants often results in fatal consequences. The present thesis work focuses on the development of a soil model using the Lagrangian method: the SPH method, originally used to solve astrophysics problems in the 70s, has turned out to be a very efficient and accurate technique in impact problems that foresee large components deformations, such as the bird strike and impacts on water. This thesis shows how using this methodology for impact studies on soft soil can give satisfactory results. The present work focused, first of all, on the development of a numerical model of soil in order to reproduce the experimental impact tests of a concrete sphere of 850kg at different initial speeds; subsequently, the model was validated using the impact test of a glider assembled in the laboratory. Due to the progressive impacts in the experimental test, which led to a compaction of the lower layers, it was not possible to reproduce the soil response with a single model. Therefore, two models were initially calibrated, using different types of material with a reduced number of SPH. This procedure guaranteed an adequate correlation of the numerical model with the experimental one and contained computational time. Subsequently, the parameters of the material card were modified to reproduce the compression of the soil in all the experimental tests. After having achieved satisfactory results for both types of soil modelled, the number of SPH was increased to obtain a more refined model that better approximated the real one. The results obtained were able to reproduce the experimental curves with varying compaction of the lower layers of the soil. The validation of the models was completed through the glider impact simulation: the modification implemented have confirmed the accuracy of the numerical model even with the increase in the number of SPH. From the investigation of soil behaviour, the precision of the designed model allows its use in numerous fields of application, from the analysis of ground impact of general aircrafts to the impact of landers on planets and asteroids.

Con la crescente popolarità del volo a vela, la necessità di investire nella sicurezza passiva in fase di progetto di velivoli ha acquistato un ruolo fondamentale. Particolare attenzione è stata dedicata all’impatto degli aeromobili su superficie morbida, in cui il trasferimento dei carichi agli occupanti spesso comporta conseguenze fatali. Il presente lavoro di tesi si focalizza sullo sviluppo di un modello di terreno tramite metodo Lagrangiano: il metodo SPH, originariamente utilizzato per risolvere problemi di astrofisica negli anni 70, si è rivelata essere una tecnica molto efficiente ed accurata in problemi di impatto che prevedono grandi deformazioni dei componenti, come l’impatto del volatile e quello su acqua. Questa tesi mostra come l’utilizzo di tale metodologia anche per lo studio dell’impatto su suolo morbido sia in grado di dare risultati soddisfacenti. L’attività di ricerca si è incentrata, in primo luogo, sulla messa a punto di un modello numerico di terreno che riproducesse in modo soddisfacente le prove sperimentali d’impatto di una sfera di cemento di 850kg a diverse velocità iniziali; successivamente, il modello è stato validato utilizzando la prova d’impatto di un aliante realizzato in laboratorio. A seguito della successione di impatti nella prova sperimentale, che hanno portato ad una compattazione degli strati inferiori, non è stato possibile riprodurre con un unico modello la risposta del terreno. Sono stati dapprima calibrati due modelli, utilizzando tipologie di materiale differente con un ridotto numero di SPH, garantendo l’adeguata correlazione del modello numerico con quello sperimentale e tempi di calcolo contenuti. Successivamente sono stati modificati i parametri del materiale per riprodurre la compressione del terreno in tutte le prove sperimentali. Avendo raggiunto risultati soddisfacenti per entrambe le tipologie di terreno modellate, si è incrementato il numero di SPH per ottenere un modello più raffinato che approssimasse meglio quello reale. I risultati così ottenuti sono stati in grado di riprodurre le curve sperimentali al variare della compattazione degli strati inferiori del terreno. La validazione dei modelli è stata portata a termine tramite la simulazione di impatto di aliante: le scelte di modellazione hanno confermato la bontà del modello numerico anche all’aumentare del numero di SPH. Dall’indagine svolta sul terreno, l’accurato modello a cui si è giunti permette l’impiego in numerosi campi di applicazione, dall’analisi di impatto al suolo di velivoli in generale all’impatto di lander su pianeti e asteroidi.