Obiettivi Formativi

Il Corso si propone di fornire le competenze relative all’applicazione di tecniche sperimentali e di codici di calcoli agli elementi finiti nella progettazione meccanica.

Learning Goals

The goal of the course is to make the students familiar with the knowledge of the following topics: Finite Element Methods, experimental techniques in machine design.

Metodi didattici

Il corso si sviluppa attraverso lezioni frontali, esercitazioni in aula al notebook, nonché applicazioni degli argomenti teorici con prove sperimentali in laboratorio.

Teaching Methods

The course is developed through lectures, classroom exercises to the notebook, as well as applications of theoretical arguments with experimental tests in the laboratory.

Prerequisiti

Conoscenze di base della teoria dell'elasticità e abilità nella soluzione analitica di strutture semplici soggette a differenti sollecitazioni.

Prerequisites

Basic knowledge of the theory of elasticity and skills in the analytical solution of simple structures subjected to different load types.

Verifiche dell'apprendimento

Esame orale Discussione su un'esercitazione FEM sviluppata durante lo svolgimento delle lezioni

Assessment

Oral exam Discussion about a FEM exercise developed during the lectures preriod

Programma del Corso

1. METODO DEGLI ELEMENTI FINITI Introduzione al metodo degli elementi finiti Analisi agli elementi finiti implicita ed esplicita Funzioni di forma Analisi statica lineare mediante il metodo degli elementi finiti Metodi di Ritz-Rayleigh e di Galerkin Analisi statica non lineare mediante il metodo degli elementi finiti Metodo di Newton - Raphson Leggi costitutive dei materiali Fase di pre-processing: definizione del problema, definizione degli elementi per la discretizzazione, modelli relativi al comportamento dei materiali, metodologie e problematiche legate alla fase di discretizzazione, applicazione condizioni al contorno: carichi e vincoli. Elementi monodimensionali, bidimensionali, solidi tetraedri ed esaedri Criteri di discretizzazione; Modellazione dei collegamenti saldati e incollati; Analisi dinamica mediante il metodo degli elementi finiti Soluzione del problema: tipo di analisi e relative opzioni. Fase di post-processing: visualizzazione e interpretazione dei risultati, deformata, spostamenti nodali, campo di tensione e deformazione, reazioni vincolari. Gestione e analisi dei risultati. Esercitazioni sull’utilizzo di codici commerciali FEM per lo studio di: •modellazione ed analisi agli elementi finiti di un albero soggetto a trazione, flessione e torsione •calcolo teorico e numerico del fattore di forma (piastra caricata a trazione, piastra forata caricata a trazione; •analisi di strutture in composito; •linear buckling analysis 2. TECNICHE SPERIMENTALI PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI E LA FAILURE ANALYSIS I materiali per la progettazione meccanica Metodi sperimentali per la caratterizzazione meccanica dei materiali Prove meccaniche statiche: trazione, flessione, torsione Prove dinamiche: drop test; prova Charpy; prova Izod Prove di fatica classica e ultrasonica Tecniche sperimentali per l’analisi delle sollecitazioni Controlli non distruttivi Tecniche sperimentali per la failure analysis e la diagnostica strutturale. Introduzione alla Termografia IR e principi base Le termocamere IR La Termografia attiva per il controllo non distruttivo dei componenti meccanici Thermoelastic Stress Analysis (TSA) Introduzione alla Tomografia a raggi X e principi base Apparecchiature e tecniche radiogene (XRF, Industrial XCT, Industrial Digital Radioscopy; XRD per il calcolo delle tensioni residue) Applicazioni dell’Industrial XCT e Industrial Digital Radioscopy per la valutazione del danneggiamento meccanico e l’identificazione di difetti in componenti strutturali Microscopia ottica ed elettronica per l’analisi delle superfici di frattura Esercitazione in laboratorio: macchine di prova e funzionamento; impostazione ed esecuzione di una prova meccanica. Esercitazione su prove di caratterizzazione meccanica dei materiali Esercitazione su tecniche termografiche (attive e passive) Esercitazione sull’utilizzo di macchine radiogene (XRF, tomografia e radioscopia) Esercitazione su microscopia ottica ed elettronica

Course Syllabus

1. NUMERICAL STRESS ANALYSIS Introduction to the finite element method (FEM); Implicit and explicit FEA Shape functions Linear static analysis Ritz-Rayleigh and Galerkin methods Non-linear analysis Newton Raphson method Constitutive laws of the materials Pre-processing: problem definition, mesh and elements definition, modeling of the material behaviour, problems related to the mesh; boundary conditions. Mono-dimensional and bi-dimensional elements, tetrahedral and hexahedral elements Mesh criteria Modeling of welded and glued joints Dinamic analysis Solution: analysis type and related options Post-processing: results visualization and analysis, deformed shape, nodal displacements, stress and strain fields, reaction forces Applications of FEM software: • analysis of a shaft subjected to axial, bending and torsion loading • theoretical and numerical assessment of the theoretical stress concentration factor (plate in tension with and without hole); • analysis of composite structures; • linear buckling analysis 2. EXPERIMENTAL TECHNIQUES FOR STRESS AND FAILURE ANALYSES Materials for mechanical design Static mechanical tests: tensile, bending and torsional test Dynamic tests: drop tests, Charpy and Izod test HCF and VHCF tests Experimental test for stress analysis Nondestructive testing Experimental techniques for failure analysis and structural diagnostics Introduction to IR Thermography and basic principles IR cameras Active thermography for NDE Thermoelastic stress analysis (TSA) Introduction to X-ray Tomography and basic principles X-ray equipments (XRF, Industrial XCT, Industrial Digital Radioscopy; XRD) X-ray Tomography for the evaluation of mechanical damage and defects identification Optical and electronic microscopy for surface fracture analysis Pulsed Thermography for the evaluation of mechanical damage Experimental tests in laboratory.