Tailored torsion and bending-resistant avian inspired structures

For engineers, failure caused by torsion is probably one of the most challenging issue to deal with. Torsion is present in several fields but the design of structures capable of withstand this state of stress is often not straightforward, moreover it is usually combined with other kinds of load. Therefore, many researchers started to look at nature as a source of inspiration for developing new smart solutions to this engineering problem, and this gave rise to the so-called science of biomimetics. Among all biological structures optimized to resist torsion, avian bones seem to be most promising to study. Avian bones, and, more in particular, wing bones, combine both lightweight and mechanical resistance to bending and torsion thanks to two peculiar features: struts and ridges. Ridges are protrusions of avian bone that lie flat against the interior walls of the bone and generally develop at an angle comprised between 25° and 60° with respect to the axis in such a way to improve torsion resistance. Struts are isolated rods that stretch across the interior of pneumatic bone and avoid the risk of buckling. This work focuses on the design and realization of novel 3D printed avian-bone-inspired structures optimized under torsional and flexural loads. Preliminary numerical analyses are carried out at the beginning to investigate the effects of ridges and struts separately, this means that structures with ridges have been analyzed under torsional loads and structures with struts have been analyzed under flexural loads. Afterwards, the best resulting configurations from the two loading conditions are combined, obtaining specimens with both struts and ridges. All the numerical analyses have been carried out in the linear elastic field. Parameters like the mass of ridges and struts have been kept constant in order to have a meaningful comparison between the different configurations, while parameters like the pitch angle of the ridges and the number of struts have been varied. Eventually, some of these designed structures have been printed with a FFF technique and experimental tests are carried out in order to assess the validity of numerical analyses.

Per gli ingegneri, il cedimento di una struttura dovuto ad un carico torsionale è probabilmente uno dei problemi più impegnativi da affrontare. La torsione, infatti, è presente in molti settori, ma la progettazione di strutture capaci di resistere a questo stato di sforzo non è spesso così semplice, inoltre è spesso combinata con altre tipologie di carico. Pertanto, molti ricercatori hanno iniziato a guardare la natura come una fonte di ispirazione per sviluppare nuove soluzioni versatili a questo problema ingegneristico, dando luce a quella che viene chiamata scienza della biomimetica. Tra tutte le strutture biologiche ottimizzate per resistere a torsione, le ossa degli uccelli sembrano essere le più promettenti da studiare. Le ossa aviarie, ed in particolare quelle delle ali, combinano leggerezza e resistenza meccanica a torsione e flessione grazie alle presenza di due particolari strutture: le ridges e gli struts. Le ridges sono protrusioni ossee che giacciono nella parete interna e generalmente si sviluppano con un angolo compreso tra i 25° e i 60° rispetto all’asse in modo da incrementare la resistenza a torsione. Gli struts sono filamenti ossei isolati che si estendono all’interno delle ossa pneumatiche e forniscono una resistenza alla deformazione. Questo lavoro si focalizza sulla progettazione e realizzazione di strutture 3D innovative ispirate dalle ossa degli uccelli. Inizialmente, sono state condotte delle analisi numeriche preliminari per investigare separatamente gli effetti delle ridges e degli struts, questo significa che i provini con le ridges sono stati sottoposti a un carico torsionale e i provini con gli struts a un carico flessionale. Successivamente, le configurazioni migliori sono state combinate per ottenere provini aventi sia ridges che struts. Tutte le analisi numeriche sono state condotte in campo lineare elastico. Parametri come la massa degli struts e delle ridges sono stati mantenuti costanti in modo da poter avere un metro di paragone significativo tra le varie strutture, mentre altri parametri quali il numero di struts o l’angolo di inclinazione delle ridges sono stati variati. Infine alcune di queste strutture sono state stampate utilizzando la tecnologia FFF e delle prove sperimentali sono state realizzate per constatare la validità delle analisi numeriche.