SVILUPPO DI UN MODELLO CONTINUO UNIDIMENSIONALE DELL’INTERAZIONE FLUIDO-STRUTTURA DI UN COMPONENTE DI MATERIALE VETROSO SPUGNOSO IMMERSO IN UN LIQUIDO VISCOSO.

This thesis aims to develop a one-dimensional continuous model to describe the mechanical behavior of a component made of porous glassy material, inspired by the biological structure of the marine sponge Euplectella Aspergillum, and immersed in a viscous fluid. The main objective is to construct a distributed-parameter model that simplifies the original three-dimensional geometry while preserving its key mechanical features. The research activities were carried out in collaboration with Prof. Maurizio Porfiri’s group at the Dynamical Systems Laboratory of New York University, within the framework of a “Thesis Abroad” scholarship funded by Politecnico di Bari. The work is divided into two main phases: a numerical phase and an analytical phase. In the numerical phase, Autodesk Inventor and COMSOL Multiphysics software were used to model and analyze various idealized geometric configurations inspired by the sponge’s reticular structure. The considered geometries include a solid cylinder, a hollow shell, a structure with helical reinforcements, a perforated configuration, and a combination of perforations with helical reinforcements. These variants represent increasing levels of architectural complexity, aimed at isolating and understanding the influence of individual geometric elements on the overall mechanical response. Each configuration was subjected to loading conditions to simulate realistic operational stresses. Finite Element Method (FEM) results were processed to derive effective stiffness matrices, which describe the equivalent mechanical behavior of the structures. This phase proved useful in quantifying the impact of porosity, hole distribution, and helical reinforcements on overall stiffness. Before developing the analytical models, a preliminary verification of the structural assumptions underlying the problem was conducted, with particular attention to the validity of the beam model in representing flexural-torsional behavior. The coincidence of the center of mass and shear center in the considered sections allows the coupling to be neglected, enabling the use of decoupled formulations. In the second phase, the obtained data are used to construct an analytical model in Wolfram Mathematica, based on a one-dimensional approximation of the structure. The model represents the component as a beam with distributed parameters, in which the mechanical properties vary along the longitudinal direction. The comparison between numerical and analytical results validates the proposed approach, highlighting both its predictive potential and its limitations.

La presente tesi si propone di sviluppare un modello continuo unidimensionale per descrivere il comportamento meccanico di un componente realizzato in materiale vetroso spugnoso, ispirato alla struttura biologica della spugna marina Euplectella Aspergillum, immerso in un fluido viscoso. L'obiettivo principale è la costruzione di un modello a parametri distribuiti che, semplificando la geometria tridimensionale originaria, ne mantenga le caratteristiche meccaniche salienti. Le attività di ricerca sono svolte in collaborazione con il gruppo del Prof. Maurizio Porfiri presso il Dynamical Systems Laboratory della New York University, nell’ambito di una borsa di studio per “Tesi all’estero” finanziata dal Politecnico di Bari. Il lavoro si articola in due fasi principali: una fase numerica e una fase analitica. Nella fase numerica, sono stati impiegati i software Autodesk Inventor e COMSOL Multiphysics per modellare e analizzare diverse configurazioni geometriche idealizzate, ispirate alla struttura reticolare spugna. Le geometrie considerate includono un cilindro pieno, un guscio cavo, una struttura con rinforzi elicoidali, una configurazione perforata e una combinazione di perforazioni con rinforzi elicoidali. Queste varianti rappresentano un crescente livello di complessità architetturale, mirato a isolare e comprendere l’influenza di singoli elementi geometrici sulla risposta meccanica globale. Ciascuna configurazione è stata sottoposta a condizioni di carico, con l’obiettivo di simulare realistiche sollecitazioni operative. Attraverso l’elaborazione dei risultati FEM, sono state ricavate le matrici di rigidezza effettiva, che descrivono il comportamento meccanico equivalente delle strutture. Questa fase è risultata utile a quantificare l’impatto della porosità, della distribuzione dei fori e dei rinforzi elicoidali sulla rigidezza complessiva. Prima dello sviluppo dei modelli analitici, è stata condotta una verifica preliminare delle ipotesi strutturali alla base del problema, con particolare riferimento alla validità del modello trave per rappresentare il comportamento flesso-torsionale. La coincidenza tra centro di massa e centro di taglio nelle sezioni considerate consente di trascurare l’accoppiamento, permettendo l’adozione di formulazioni disaccoppiate. Nella seconda fase, i dati ottenuti vengono impiegati per costruire un modello analitico in Wolfram Mathematica, basato su un’approssimazione monodimensionale della struttura. Il modello rappresenta il componente come una trave a parametri distribuiti, in cui le proprietà meccaniche variano lungo la direzione longitudinale. Il confronto tra risultati numerici e analitici consente di validare l’approccio, evidenziandone sia le potenzialità predittive che i limiti.