Numerical analysis of the role of soil-structure interaction in machine tools response

Technological innovation in industry led to the development of reliable machines which guarantee accuracy and finishing quality. For a detailed study of the dynamic structural behavior, a suitable modeling of the underlying soil is required, in order to take into account soil-structure interaction (SSI). The thesis work studies the interaction between the LinX3 30 machine produced by Jobs S.p.a., the surface foundation and the soil. Numerical analyses are carried out through the finite elements (FEs) software ABAQUS®. SSI can be studied by means the direct method and the substructure method. Direct method requires the FEs modeling of a portion of soil, whose boundary should allow the dissipation of energy through radiation. In practice, due to the high computational effort required, this method results particularly expensive. So, it is useful to employ a simplified model which delivers similar results in less time. The substructure method consists in the decomposition of the entire system into two subsystems, ground and foundation with machine, whose response is determined independently. Soil’s analysis allows to compute springs and dashpots coefficients applied under the foundation to simulate the presence of the ground. The main goal of the thesis is to propose a simplified model based on the substructure method. The Quasi-rigid Foundation Approach is applied: the foundation is assumed to be deformable within structural modeling, but rigid with respect to the ground medium. Springs and dashpots under the foundation are distributed according to a parabolic pattern. The response obtained with substructure and direct method are in good agreement both in terms of displacements and stresses in the foundation The simplified model allows to rapidly perform parametric analyses to capture the influence of the factors which affect the soil-foundation-machine interaction.

L’innovazione tecnologica in campo industriale ha portato allo sviluppo di macchine in grado di garantire affidabilità e precisione nel prodotto finito. Per uno studio dettagliato del comportamento strutturale, si richiede la modellazione del terreno sottostante, in modo da tener conto dell’interazione terreno-struttura (ITS). Il lavoro di tesi si concentra sullo studio dell’interazione tra la macchina LinX3 30 prodotta da Jobs S.p.a., la fondazione superficiale su cui essa è montata e il terreno. Le analisi numeriche sono svolte per mezzo del software a elementi finiti ABAQUS®. L’ITS può essere studiata attraverso il metodo diretto e il metodo della sottostruttura. Il metodo diretto richiede la modellazione a elementi finiti di una porzione di terreno, il cui bordo deve garantire la dissipazione dell’energia per radiazione. Nella pratica, per via del notevole sforzo computazionale richiesto, questo metodo risulta essere particolarmente oneroso. Risulta quindi utile impiegare un modello semplificato che consenta di ottenere risultati simili in un minor tempo. Il metodo della sottostruttura si basa sulla decomposizione dell’intero sistema in due sottosistemi, terreno e fondazione con macchina, la cui risposta è calcolata separatamente. L’analisi del terreno consente di calcolare i coefficienti di molle e smorzatori applicati sotto la fondazione per simulare la presenza del suolo. Lo scopo principale della tesi è quello di proporre un modello semplificato, basato sul metodo della sottostruttura. A tal proposito, si impiega l’approccio della fondazione quasi-rigida: la fondazione è considerata rigida rispetto al terreno e deformabile nella modellazione strutturale. Molle e smorzatori sotto la fondazione seguono una distribuzione parabolica. Si osserva un buon accordo tra i risultati numerici ottenuti mediante metodo diretto e metodo della sottostruttura, sia in termini di spostamenti nella macchina, sia di sforzi nella fondazione. Il modello semplificato consente di svolgere rapidamente analisi parametriche per cogliere l’influenza dei vari fattori che condizionano l’interazione terreno-fondazione-macchina.