Obiettivi Formativi

Il Corso si propone di: - Fornire padronanza nell'utilizzo dei codici di calcolo numerico al fine di fornire una robusta preparazione propedeutica all'impiego del metodo agli elementi finiti (FEM) a supporto della progettazione meccanica. - Fornire la capacità di progettare esperimenti di elevata complessità e di raccoglierne e interpretarne i dati, attraverso alcune esercitazioni pratiche di laboratorio, durante le quali viene mostrato agli studenti come applicare procedure di controllo non distruttivo, di failure analysis e di come effettuare delle prove meccaniche su componenti utilizzati appositamente a scopo didattico. Lo studente avrà anche la capacità di scegliere il metodo sperimentale più appropriato a supporto e a validazione di un modello FE in un iter di progettazione meccanica. - Fornire la capacità di comunicare gli esiti del proprio lavoro in forma sintetica ed esaustiva, attraverso la stesura e la discussione di un elaborato riguardante l’applicazione del metodo FE per l’analisi strutturale di un componente meccanico o di una struttura biomeccanica. Vengono fornite le competenze per interpretare correttamente ed in modo critico i risultati. - Fornire capacità di apprendimento necessarie per intraprendere attività di ricerca con un alto grado di autonomia mediante alcune esercitazioni in aula sull'utilizzo di software specifici per l'applicazione del metodo FE e mediante l'utilizzo di attrezzature sperimentali convenzionali ed innovative presentate durante il corso.

Learning Goals

The goal of the course is: - To provide skills in the use of numerical codes to provide a solid preparation propaedeutic to the use of finite element method (FEM) in support of the mechanical design. - To provide skills to design complex experiments, collect and interpret the data through some practical laboratory during which it is shown to the students how to apply non-destructive testing procedures, failure analysis and how to carry out the mechanical tests of components. The students will also have the capability to choose the most appropriate experimental method in support and validation of a FE model in a mechanical design flow. - To provide the skill to show the results of the work in a synthetic and comprehensive manner, through the preparation and discussion of a report on the application of the FE method for the structural analysis of a mechanical component or a biomechanical structure. Skills are provided to correctly and critically interpret the results. - The learning skill required for research activity with a high degree of autonomy reached through some classroom exercises on the use of specific software for applying the FE method and through the use of conventional and innovative experimental equipments shown during the course.

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. 2. TECNICHE SPERIMENTALI PER L’ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI E LA FAILURE ANALYSIS. Tecniche sperimentali per la failure analysis e la diagnostica strutturale. Introduzione alla Termografia IR e principi base. Le termocamere IR. La Termografia attiva per la valutazione dei meccanismi di collasso e danneggiamento nei 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; EDX. Esercitazione sulla tecnica termografica (attiva e passiva). Esercitazione sull’utilizzo di macchine radiogene (XRF, tomografia e radioscopia). Esercitazione su microscopia ottica, elettronica ed EDX. 3. TECNICHE NUMERICO-SPERIMENTALI PER L'ANALISI DELLE SOLLECITAZIONI IN STRUTTURE BIOMECCANICHE Fondamenti di Biomeccanica. Comportamento meccanico dei biomateriali: il tessuto osseo corticale e spongioso. Utilizzo del tomografia a raggi X per l'analisi agli elementi finiti di strutture biomeccaniche.

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. 2. EXPERIMENTAL TECHNIQUES FOR STRESS AND FAILURE ANALYSES Experimental test for stress analysis Experimental techniques for failure analysis and structural diagnostics Introduction to IR Thermography and basic principles IR cameras Active thermography for damage and collapse modes evalutation 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; EDS. Pulsed Thermography for the evaluation of mechanical damage Experimental tests in laboratory. 3. EXPERIMENTAL AND NUMERICAL METHODS FOR STRESS ANALYSIS OF BIOMECHANICAL STRUCTURES Fundamentals of Biomechanics. Mechanical behavior of biomaterials: cortical and cancellous bone. XCT technique for FE analysis of biomechanical structures.