Obiettivi Formativi

Il corso si propone di: OF_1(Conoscenza e comprensione) - Fornire la capacità di progettare esperimenti di elevata complessità e di raccogliere e interpretare 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 agli elementi finiti (FEM) in un iter di progettazione meccanica. OF_2 (Capacità di applicare conoscenza e comprensione) - Fornire conoscenze sull'utilizzo dei codici di calcolo numerico al fine di dare una robusta preparazione propedeutica all'impiego del metodo agli elementi finiti (FEM) a supporto della progettazione meccanica. OF_3 (Autonomia di giudizio) - 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. OF_4 (Abilità comunicative) - Fornire la capacità di comunicare gli esiti del proprio lavoro attraverso l’utilizzo di un linguaggio tecnico appropriato nonché 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. Vengono fornite le competenze per interpretare correttamente ed in modo critico i risultati. OF_5 (Capacità di apprendimento) - L’attività ha l’obiettivo di permettere allo studente di formare una mentalità flessibile e una robusta metodologia di lavoro.

Learning Goals

The goal of the course is: OF_1 (Knowledge and understanding) To provide skills to design complex experiments, collect and interpret 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 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. OF_2 (Ability to apply knowledge and understanding) 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. OF_3 (Autonomy of judgment) To provide 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 equipment shown during the course. OF_4 (Communication skills) To provide the skill to show the results of the work in a synthetic and comprehensive way, through the preparation and discussion of a report on the application of the FE method for the structural analysis of a mechanical component. Skills are provided to correctly and critically interpret the results. OF_5 (Learning skills) At the end of the course students should develop a flexible mind-set and a solid methodology for working alone or in a team.

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; 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 loads.

Verifiche dell'apprendimento

Esame orale sugli argomenti trattati nel corso. La verifica dell’apprendimento relativo alla parte sperimentale trattata durante il corso ha lo scopo di valutare che lo studente utilizzi un corretto approccio metodologico ed una corretta progettazione della campagna sperimentale, sulla base della problematica da affrontare. La parte dell’esame relativa agli argomenti di carattere sperimentale ha un peso pari al 50% sulla valutazione complessiva. Inoltre, all’esame è prevista una discussione su un'esercitazione FEM - presentata tramite power point ed, eventualmente una relazione tecnica allegata non obbligatoria in formato word, sviluppata durante lo svolgimento delle lezioni e sottoposta a revisioni periodiche concordate con il docente - al fine di verificare le conoscenze acquisite sul metodo e la capacità di analizzare in maniera critica i risultati ottenuti, anche con l’utilizzo di termini tecnici appropriati. La presentazione ha un peso pari al 50% sulla valutazione complessiva. Per gli studenti non frequentanti, oltre alla parte dell’esame relativa agli argomenti di carattere sperimentale, è prevista una prova scritta che consiste in un esercizio al computer sull’applicazione del metodo FE per l’analisi strutturale di un pezzo meccanico. La suddetta prova scritta ha un peso pari al 50% sulla valutazione complessiva.

Assessment

Oral exam on the topics covered in the course. The verification of the learning regarding the experimental part of the course aims to assess that the student uses a correct methodological approach and a correct design of the experimental campaign, based on the problem to be addressed. The part of the exam relating to experimental topics has a weight equal to 50% on the overall evaluation. Furthermore, the exam includes a discussion on a FEM exercise - presented in the form of a power point presentation and an additional non-mandatory technical report in word format, developed during the lessons and subjected to periodic reviews - in order to verify the knowledge of the method and the ability to critically analyse the obtained results, even with the use of appropriate technical terms. The presentation has a weight equal to 50% on the overall evaluation. For non-attending students, together with the oral part about experimental topics, it is required a written test consisting of a computer exercise on the application of the FE method for the structural analysis of a mechanical component. The aforementioned written test has a weight equal to 50% on the overall evaluation.

Programma del Corso

1. Metodo degli elementi finiti Introduzione al metodo degli elementi finiti. Analisi agli elementi finiti implicita ed esplicita. Funzioni di forma. Leggi costitutive dei materiali. 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. Fase di pre-processing: definizione del problema, definizione degli elementi per la discretizzazione, 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. Soluzione del problema: tipo di analisi e relative opzioni. Fase di post-processing: visualizzazione e interpretazione dei risultati, analisi della deformata, campi di tensione e deformazione. Gestione e analisi dei risultati. Esercitazioni sull’utilizzo di codici commerciali FEM per lo studio di: un componente meccanico soggetto a trazione e flessione; un albero con intaglio soggetto torsione; strutture in materiale composito. 2. Tecniche sperimentali per l’analisi delle sollecitazioni e la failure analysis Tecniche sperimentali per lo sviluppo di procedure di failure analysis. Introduzione alla Termografia IR e principi base. La Termografia attiva per la valutazione dei meccanismi di collasso e danneggiamento nei componenti meccanici. Introduzione alla Tomografia a raggi X e principi base. Tecniche radiogene (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 cricche in componenti strutturali. Esercitazione in laboratorio: Sull’applicazione della termografia pulsata per l’analisi del danneggiamento di laminati compositi soggetti ad impatto. Sull’utilizzo di macchine radiogene (tomografia e radioscopia) per lanalisi del danneggiamento meccanico di strutture light-weight.

Course Syllabus

1. Numerical stress analysis. Introduction to the finite element method (FEM). Implicit and explicit FEA. Shape functions. Constitutive laws of the materials. Linear static analysis: Ritz-Rayleigh and Galerkin methods. Pre-processing: problem definition, mesh and elements definition, modelling of the material behaviour, problems related to the mesh; boundary conditions. Mono-dimensional and bi-dimensional elements, tetrahedral and hexahedral elements. Mesh criteria. Modelling of welded and glued joints. Solution: analysis type and related options. Post-processing: results visualization and analysis, deformed shape, nodal displacements, stress and strain fields. Applications of FEM software: analysis of a shaft subjected to axial, bending and torsion loading; analysis of composite structures. 2. Experimental techniques for stress and failure analyses Experimental techniques for failure analysis. Introduction to IR Thermography and basic principles. Active thermography for damage and collapse modes evaluation. Introduction to X-ray Tomography and basic principles. X-ray equipments (Industrial XCT, Industrial Digital Radioscopy; XRD). X-ray Tomography for the evaluation of mechanical damage and defects identification. Experimental tests in laboratory.