Obiettivi formativi
Conoscenza e capacità di comprensione
La progettazione meccanica avanzata richiede conoscenze e capacità di comprensione dei problemi di deformabilità e resistenza dei materiali che vanno oltre la nozione di elasticità isotropa lineare e di resistenza statica o a fatica basata sulla conoscenza dello stato tensionale elastico, tipiche della progettazione meccanica classica. E questo anche in quanto i software CAE (Computer Aided Engineering) incorporano in un crescente numero di casi la simulazione strutturale agli elementi finiti anche in campo non-lineare elastico, rendendola disponibile a prezzi contenuti, ma richiedendo anche conoscenze e capacità di comprensione superiori al fine di un corretto utilizzo.
Lo studente perciò, alla fine del corso conoscerà le tipologie di comportamento meccanico e di cedimento dei materiali ed i relativi modelli matematici utili ai fini della progettazione/verifica di componenti e sistemi meccanici oltre il semplice comportamento elastico lineare elastico e basato sullo stato tensionale. Inoltre conoscerà i metodi di caratterizzazione sperimentale e di simulazione del comportamento meccanico non-lineare mediante il metodo degli elementi finiti.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente sarà in grado di identificare il modello matematico più appropriato per approssimare il legame sforzo-deformazione del materiale e la resistenza meccanica nella data condizione di servizio. Saprà quindi risolvere analiticamente e/o mediante simulazione agli elementi finiti problemi di deformazione e resistenza di componenti e sistemi meccanici oltre la semplice valutazione lineare elastica.
Prerequisiti
La conoscenza del metodo degli elementi finiti è utile anche se non obbligatoria.
Contenuti dell'insegnamento
I contenuti del corso vanno a trattare gli aspetti maggiormente specifici del comportamento meccanico dei materiali strutturali, volti alla progettazione avanzata di strutture e componenti meccanici in ambito industriale ma anche aeronautico e automotive. Si tratterà il comportamento sforzo-deformazione in condizioni di plasticità ciclica e fatica, la meccanica della frattura ovvero la progettazione damage tolerant, il comportamento tempo variante e visco-elastico, i meccanismi di cedimento e quindi l'integrità strutturale. Ciascuno di questi aspetti sarà illustrato dal punto di vista fenomenologico-sperimentale, e della descrizione matematica e di modellazione. All'approccio descittivo e analitico, sarà affiancata la modellazione numerica (FEM) avanzata.
Per quanto riguarda il legame sforzo-deformazione, saranno illustrati i seguenti comportamenti:
- Comportamento elasto-plastico quasi-statico
- Comportamento elasto-plastico ciclico
- Comportamento elastico anisotropo (materiali compositi)
- Comportamento elastico in grandi deformazioni (materiali elastomerici)
- Comportamento viscoso (creep materiali metallici) e viscoelastico (materiali polimerici)
Per quanto riguarda meccanismi di cedimento e la resistenza, saranno illustrati i seguenti casi:
- Meccanismi e criteri di cedimento per materiali compositi
- Resistenza a fatica mediante approccio alle deformazioni
- Frattura fragile; effetto della plasticità in caso di materiale duttile
- Resistenza alla propagazione di difetti per fatica e previsione di vita residua
Per ciascuno degli argomenti saranno effettuate lezioni teoriche ed esercitazioni in aula. Inoltre si eseguirà in laboratorio una semplice applicazione del metodo degli elementi finiti con il software Abaqus (edizione studente).
Programma esteso
1. prove meccaiche per la caratterizzazione dei materiali ad uso strutturale
2. elastoplasticità
3. deformazioni e tensioni vere
4. fatica e meccanismi di base, approccio alle tensioni
5. fatica in opresenza di carichi random
6. plasticità ciclica, modelli di incrudimento
7. fatica a basso numero di cicli, approccio alle deformazioni
8. meccanica della frattura lineare elastica e progettazione damage tolerant
9. meccanica della frattura elasto-plastica (cenni)
10. propagazione del difetto per fatica, effetto di chiusura
11. comportamento a creep dei materiali
12. elasticità in grando deformazioni, Strain Energy Function
13. frattura duttile, modellazione del danno
14. materiali compositi CFRP, teoria della laminazione, modellazione del danno
Bibliografia
N.E. DOWLING: "Mechanical behaviour of materials", 4th Ed., Prentice-
Hall, 2012.
Appunti del docente per la parte sui materiali compositi
Metodi didattici
Lezioni ed esercitazioni in aula. Le lezioni si svolgono con l'ausilio della proiezione di slides in PowerPoint. Le esercitazioni consistono nello svolgimento di esempi numerici su argomenti trattati durante le lezioni. Laboratorio di applicazione del metodo degli elementi finiti a problemi di comportamento meccanico dei materiali usando Abaqus (edizione studente)
Modalità verifica apprendimento
L’esame è costituito da una prova scritta (solitamente 2 domande teoriche due esercizi dello stessa tipologia di quanto visto in aula), e dalla presentazione e discussione orale di un problema tecnico (sviluppabile anche in coppia), ad esempio lo studio del cedimento di un componente di macchina, assegnati durante il corso anche in base alle preferenze personali, e risolti adottando i modelli analitici a disposizione parallelamente ed in diretto confronto con la simulazione ad elementi finiti. Il voto massimo della prova scritta è solitamente attorno a 24/30, il resto del punteggio è disponibile per la presentazione del progetto, in base alla correttezza metodologica, all'originalità dei contenuti, alla chiarezza di esposizione.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
