A Spinoff a Day – Modelli matematici per valutare l’impatto delle vibrazioni sonore sulle strutture

I componenti di un razzo durante il liftoff sono esposti a vibrazioni sonore improvvise che possono raggiungere i 170 decibel, e che hanno il potere di danneggiare i payload o addirittura distruggere il razzo stesso se non accuratamente gestite. Probabilmente gli unici ingegneri a dover controllare questo tipo di valori sono gli scienziati missilistici, ma a livelli inferiori ne sono interessate anche le industrie automobilistica e aeronautica.

Per analizzare l’impatto di rumore e vibrazioni sulle strutture gli ingegneri acustici utilizzano software di modellazione che lavorano su diverse frequenze. Il metodo FEA (analisi agli elementi finiti) è un set di elementi interconnessi ai quali vengono assegnate varie proprietà da valutare come spessore, densità, elasticità etc. e lavora molto bene con frequenze fino a pochi Hertz. “Applicando un modello FEA i ricercatori possono prevedere il modo in cui suoni o vibrazioni a frequenze basse viaggiano attraverso la struttura” sostiene Randolph Cabell, assistente capo della sezione di acustica strutturale presso il Langley Research Center. “Se vuoi rendere il modello più silenzioso, vorrai sapere quanta energia si sta muovendo attorno alla struttura, così saprai come fermarla”. Come si legge in questo articolo, la Cina ha da poco utilizzato tale metodo per testare la sua nuova capsula abitata.

Questo tipo di analisi non funziona però altrettanto bene con frequenze più alte: esso infatti richiede di definire un certo numero di elementi per lunghezza d’onda, e dato che le lunghezze d’onda si accorciano con l’aumentare delle frequenze, gli elementi diventano così piccoli e così numerosi che il FEA convenzionale risulta scomodo, specialmente per grandi strutture.

I piccoli dettagli come le posizioni dei bulloni, lo spessore dei rivetti o il numero degli strati di vernice acquistano però significato per un’accurata previsione di suono e vibrazioni, ecco quindi che per sopperire a questa esigenza ci si affida all’ “analisi statistica dell’energia” (SEA) con la quale si possono suddividere le strutture dei veicoli in poche grandi parti pur mantenendo la precisione. Ovviamente anche SEA ha i suoi limiti, in quanto ogniqualvolta si modifichi la struttura, il modello è da rivedere.

La soluzione ottimale sarebbe quella di riunire entrambe le analisi in un unico software, progetto al quale stava pensando l’azienda Comet Technology Corp. agli inizi degli anni 2000. NASA ha finanziato questa ricerca dando vita al Comet EnFlow, un programma che riesce ad eliminare la necessità di due modelli inserendo l’analisi degli elementi finiti (FEA) in un sistema che analizza sia le basse che le alte frequenze. “EnFlow riesce a vedere il posizionamento delle parti che compongono ogni elemento e raggruppa le analisi degli impatti di suono e vibrazioni in un solo schema” afferma Cabell. Grazie a questa tecnologia anche l’industria degli altri mezzi di trasporto, come le navi, gli aerei e le auto ne beneficia, rendendo le aziende in grado di fornire analisi di qualità con budget e tempistiche di lavoro ridotti.

Un utilizzo inaspettato di EnFlow, poi, è stato trovato dalla sezione Nondestructive Evaluation Sciences (NDES) a Langley. Rilevare rapidamente eventuali perdite nelle pareti pressurizzate della Stazione Spaziale è particolarmente complesso, sia per il fatto che le pareti sono spesso ricoperte di borse e attrezzature che per la dimensione microscopica delle presunte falle, causate da micrometeoriti o da piccoli detriti. Gli astronauti sulla ISS hanno un palmare che rileva eventuali danni tramite ultrasuoni, ma questo può solo trovare falle esposte, mentre EnFlow può analizzare il campo vibro-acustico di una struttura in vari range sonori. Dal 2009 tutti i moduli permanenti sulla ISS sono stati equipaggiati con questa tecnologia e tale utilizzo alternativo  ne ha permesso l’introduzione in un nuovo mercato a livello industriale: il rilevamento di punti deboli nei veicoli.

Il software Comet EnFlow permette di valutare al meglio l’impatto delle vibrazioni sonore in fase progettuale @NASA / Veronica Remondini

Per approfondire:

Spinoff nel dettaglio [ENG]

Comet EnFlow [ENG]

Presentazione completa powerpoint originale in inglese, traduzione italiana a cura di Veronica Remondini.