Obiettivi Formativi

Il corso si propone di: - 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. - 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. - 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. - 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. - 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: 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. 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 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. 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. 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, che viene espressa in trentesimi. Inoltre, all’esame è prevista una discussione su un'esercitazione FEM - presentata tramite power point e, 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. L’esercitazione non ha scadenza temporale. 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, che anche in questo caso, viene espressa in trentesimi.

Assessment

Oral exam on the topics of the course. The verification of the learning regarding the experimental part 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, which is scored in thirty. 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 - to verify the knowledge of the method and the ability to critically analyse the results, even with the use of appropriate technical terms. The FEM exercise has no deadline. 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 written test has a weight equal to 50% on the overall evaluation. Also, in this case the evaluation is performed in thirty.

Programma del Corso

METODO DEGLI ELEMENTI FINITI: Introduzione al metodo degli elementi finiti. Analisi agli elementi finiti con solutore implicito. Funzioni di forma. Leggi costitutive dei materiali. Analisi statica e quasi-statica. METODI DI SOLUZIONE DI UN PROBLEMA DIFFERENZIALE: Principio dei lavori virtuali. Metodi di Ritz-Rayleigh e di Galerkin. FASE DI PRE-PROCESSING: definizione del problema strutturale, funzione di forma degli elementi, metodologie e problematiche legate alla fase di discretizzazione, definizione e applicazione delle condizioni al contorno. Elementi monodimensionali, bidimensionali, solidi tetraedri ed esaedri. Criteri di discretizzazione. Modellazione dei collegamenti saldati e incollati. FASE DI SOLVING: Soluzione del problema: tipo di analisi e relative opzioni. FASE DI POST-PROCESSING: visualizzazione e interpretazione critica dei risultati, analisi della deformata, campi di tensione e deformazione. Gestione dei risultati. MODELLAZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI: definizione della legge costitutiva dei materiali ortotropi. Approccio ply-based e zone-based. Applicazione della teoria della laminazione classica. SOLUZIONI DI PROBLEMI AGLI AUTOVALORI: analisi modale (free-free); buckling lineare. ESERCITAZIONI SULL’UTILIZZO DI CODICI COMMERCIALI FEM: studio di componenti meccanici soggetti a trazione e flessione. Calcolo del coefficiente di intensificazione delle tensioni per un albero con intaglio soggetto a torsione e per una piastra piana forata, soggetta a trazione. Analisi strutturale di un telaio in materiale composito. Determinazione delle tensioni interlaminari e delle proprietà meccaniche del laminato. Utilizzo dei tool di progettazione. Calcolo del carico critico euleriano per strutture porose periodiche soggette a pressione idrostatica. TECNICHE SPERIMENTALI LE PRINCIPALI PROVE MECCANICHE A SUPPORTO DELLA PROGETTAZIONE: prove statiche di trazione e compressione; prove statiche di flessione; prove di impatto a bassa velocità. TECNICHE NON-DISTRUTTIVE AVANZATE PER LA MECCANICA DEL DANNO IN MATERIALI E STRUTTURE LEGGERI SOGGETTI A SOLLECITAZIONI MECCANICHE. TERMOGRAFIA IR: principi di radiometria. La flash thermography per la valutazione dei meccanismi di collasso e danneggiamento nei materiali compositi. TOMOGRAFIA E RADIOSCOPIA DIGITALE A RAGGI X: principi base ed impostazione dei parametri di controllo. Applicazioni per la valutazione del danneggiamento meccanico e l’identificazione di cricche in componenti strutturali. ULTRASONIC PHASED ARRAY (UPA): principi base ed impostazione dei parametri di prova. Applicazioni per la valutazione dei meccanismi di danneggiamento in materiali di nuova generazione. ESERCITAZIONI IN LABORATORIO: Utilizzo di macchine servo-idrauliche universali per l’esecuzione di prove meccaniche statiche. Utilizzo di macchine per prove di drop-test. Termografia pulsata per l’analisi del danneggiamento di laminati compositi soggetti ad impatto. Utilizzo di macchine radiogene (tomografia e radioscopia) e della tecnica UPA per l’analisi del danneggiamento meccanico di strutture light-weight.

Course Syllabus

FINITE ELEMENTS METHOD: Introduction. Finite element analysis (FEA) with implicit solver. Shape functions. Constitutive laws of materials. Static and quasi-static analysis. SOLUTION METHODS OF A DIFFERENTIAL PROBLEM: Principle of virtual works. Ritz-Rayleigh and Galerkin methods. PRE-PROCESSING: definition of the structural problem, shape function of the elements, methodologies and problems related to the discretization phase; definition, and application of the boundary conditions. 1-D, 2-D elements, solid tetrahedra and hexahedron. Discretization criteria. Modelling of welded and glued joints. SOLVING: Solution of the problem: type of analysis and related options. POST-PROCESSING: visualization and critical interpretation of the results, deformation analysis, strain, and strain fields. Results management. FEA OF COMPOSITE MATERIALS: constitutive law of orthotropic materials. Ply-based and zone-based approaches. Application of the classical lamination theory. SOLUTIONS OF PROBLEMS TO EIGENVALUES: modal analysis (free-free); linear buckling. EXERCISES ON THE USE OF FEA SOFTWARES: stress analysis of mechanical components subjected to tensile and bending loads. Calculation of the stress intensity factor for a notched shaft subjected to torsion load and for a thin plate subjected to tensile load. Structural analysis of a frame in composite material. Determination of interlaminar stresses and mechanical properties of the laminate. Use of design tools. Calculation of the Eulerian critical load for periodic porous structures subjected to hydrostatic pressure. EXPERIMENTAL TECHNIQUES MECHANICAL TESTS: static tensile and compression tests; bending test; low velocity impact test. ADVANCED NON-DESTRUCTIVE TECHNIQUES FOR DAMAGE MECHANICS OF LIGHTWEIGHT MATERIALS AND STRUCTURES SUBJECTED TO MECHANICAL LOADS. IR THERMOGRAPHY: principles of radiometry. Flash thermography for the evaluation of collapse and damage mechanisms in composite materials. COMPUTED TOMOGRAPHY AND DIGITAL X-RAY RADIOSCOPY: basic principles and setting of test parameters. Practical applications for the assessment of mechanical damage and of cracks detection in structural components. ULTRASONIC PHASED ARRAY (UPA): basic principles and setting of test parameters. Practical applications for the evaluation of damage mechanisms in novel materials. LABORATORY EXERCISES: Use of universal servo-hydraulic equipment for carrying out static mechanical tests. Use of drop-test machines. Pulsed thermography for the analysis of damage in composite laminates subjected to impact load. Use of x-ray equipment (tomography and radioscopy) and the UPA technique for the analysis of mechanical damage in light-weight structures.