Analysis of a finite element model for ice cracking and de-adhesion

This thesis was produced with the intention of investigating the possibilities of numerically modeling the phenomenon of de-adhesion and failure of ice deposits on metal surfaces. This was done with interest in the possibility of investigation of the phenomena of icing of aeronautical structures. It is, in fact, of paramount importance in the process of design of anti-icing and de-icing systems, as well as in the certification of aircrafts for which it is expected the use in environments where the phenomenon of icing can become important. The objective of this work is to obtain a predictive tool capable of coherently reproduce the real behavior of ice when accretion takes place on aircraft surfaces. This is obtainable from a numerical model able to reproduce the brittle fracture of ice and the process of de-adhesion from the accretion surface. This work passes from a review of some approaches present in literature, focusing in particular on a model that offers the possibility of reproducing both the cohesive behavior of ice and the process of de-adhesion. The model was implemented and analyzed using the Abaqus finite element solver, with the aim of reproducing the results obtained by the original author. Finally, a sensitivity analysis of the model was performed with respect to some parameters to investigate their importance in the modelling process.

Questa tesi è stata svolta con l'intento di investigare le possibilità di modellazione numerica del fenomeno di distacco e rottura di depositi di ghiaccio su superfici metalliche. È stato rivolto l'interesse a questo aspetto in relazione al fenomeno di congelamento delle superfici aeronautiche. La possibilità di riprodurre il reale comportamento del ghiaccio è di fondamentale importanza nel processo di progettazione di sistemi anti-icing e de-icing, oltre che nel percorso di certificazione dei velivoli per i quali si preveda l'utilizzo in ambienti in cui il fenomeno del congelamento può diventare importante. L’obiettivo del lavoro è quello di ottenere uno strumento predittivo in grado di riprodurre coerentemente il comportamento reale del ghiaccio quando il deposito avviene sulla superficie di un velivolo. Questo è ottenibile da un modello numerico in grado di riprodurre la rottura fragile del ghiaccio e il processo di distacco dello stesso dalla superficie di accrescimento. Questo lavoro passa da una revisione di alcuni approcci presenti in letteratura, soffermandosi in particolar modo su un modello che offre la possibilità di riprodurre sia il comportamento coesivo del ghiaccio, sia il processo di de-adesione. Il modello è stato implementato e analizzato tramite il solutore a elementi finiti Abaqus, con l'obiettivo di riprodurre i risultati ottenuti dall'autore originale. Infine, è stata investigata la sensitività del modello a diversi parametri in modo da comprenderne la relativa importanza nel processo di modellazione.