MECHANICS OF MATERIALS AND STRUCTURAL INTEGRITY

Docenti: 
Crediti: 
6
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
PROGETTAZIONE MECCANICA E COSTRUZIONE DI MACCHINE (ING-IND/14)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Anno di corso: 
2
Lingua di insegnamento: 

Italiano

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

Conoscenza delle nozioni di base sul comportamento meccanico dei materiali e sui principi di progettazione di componenti meccanici, tipicamente contenuti nel corso di Costruzione di Macchine (Laurea Meccanica).
La conoscenza del metodo degli elementi finiti è utile anche se non obbligatoria.

Contenuti dell'insegnamento

I contenuti del corso riguardano gli aspetti fondamentali del comportamento meccanico dei materiali: i) il comportamento sforzo-deformazione (meccanica dei materiali); ii) il meccanismo di cedimento e quindi la resistenza del materiale (integrità strutturale). Ciascuno di questi macro-aspetti sarà illustrato dal punto di vista fenomenologico (sperimentale), della descrizione matematica, e degli strumenti di simulazione (modellazione).
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, iperelasticità (materiali elastomerici)
- Comportamento viscoso (creep materiali metallici) e viscoelastico (materiali polimerici).
Per quanto riguarda i meccanismi di cedimento e la resistenza, saranno illustrati i seguenti casi:
- Meccanica della frattura lineare elastica classica (LEFM);
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

- richiami sulle prove meccaniche di caratterizzazione del comportamento di materiali strutturali;
- modelli di comportamento meccanico dei materiali, richiamo su modalità di cedimento;
- richiami su fatica materiali metallici, strumenti di progettazione;
- fenomeno della fatica a livello microstrutturale;
- fatica a basso numero di cicli (LCF);
- progettazione in LCF;
- meccanica della frattura, lineare elastica e small scale yielding, cenni a meccanica della frattura elasto-plastica, utilizzo del diagramma FAD;
- propagazione difetti per fatica e resistenza materiali, effetto chiusura del difetto;
- frattografia applicata e casi di failure analysis;
- materiali iperelastici e modelli;
- modelli di danneggiamento duttile e implementazione FEM;
- materiali compositi a fibra lunga, teoria della laminazione, criteri di resistenza;
- cenni ai metodi non distruttivi di valutazione dell'integrità strutturale

Bibliografia

N.E. DOWLING: "Mechanical behaviour of materials", 4th Ed., Prentice-
Hall, 2012.
- J. Polak. Cyclic plasticity and low cycle fatigue life of metals. ACADEMIA PRAGUE 1991.
- Appunti del docente forniti sotto forma di file PDF sulla piattaforma ELLY, che coprono tutti gli argomenti trattati e le esercitazioni.

Metodi didattici

Lezioni ed esercitazioni in aula. Le lezioni si svolgono con l'ausilio della
proiezione di slides. 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

La valutazione è costituita da una prova scritta, anche parziale a metà del corso, e dalla presentazione e discussione orale di problemi di comportamento meccanico assegnati all'inizio del corso, risolti mediante simulazione ad elementi finiti col software Abaqus (edizione studente). La prova scritta è composta da tre quesiti, consistenti in domande a risposta aperta o esercizi sugli argomenti del corso. Il voto massimo della prova scritta è solitamente 24/30. La discussione orale dei problemi assegnati all'inizio del corso permette un aumento del punteggio dello scritto fino a raggiungere il punteggio massimo di 30/30L, in base alla correttezza metodologica,
all'originalità dei contenuti, alla chiarezza di esposizione.

Altre informazioni

Si consiglia vivamente la frequenza delle lezioni frontali, le esercitazioni con il software agli elementi finiti, e lo sviluppo del progetto durante l'anno