Corso di laurea: Mechanical Engineering Programmazione per l'A.A. 2022/2023

Modellazione dei sistemi meccanici discreti a 2-n gradi di libertà: approccio sistematico per la scrittura delle equazioni del moto; il metodo Multi-Body; calcolo della posizione di equilibrio statico; linearizzazione delle equazioni nell'intorno dell’equilibrio; calcolo di frequenze proprie, modi di vibrare e risposta in frequenza; approccio modale; sistemi soggetti a forze non lineari; risposta temporale mediante integrazione numerica delle equazioni del moto. Esempi applicativi in Matlab ® (studio del ride-comfort di un veicolo).

Vibrazioni nei continui: equazioni dei continui fune e trave; calcolo di frequenze proprie e modi di vibrare. Smorzamento strutturale ed isteretico.

Metodo degli Elementi Finiti: le funzioni di forma per gli elementi fune e trave; calcolo di frequenze proprie e modi di vibrare; calcolo della risposta forzata; esempi applicativi.

Sistemi ad 1 e 2 gradi di libertà soggetti a campi di forze: discussione delle condizioni di stabilità; campo di forze aerodinamiche e instabilità dei profili alari; instabilità nei cuscinetti; esempi applicativi in Matlab ®.

Dinamica dei veicoli stradali: equazioni del moto, moto in rettilineo e in curva, ride-comfort, studio della stabilità.

Tecniche di identificazione modale. Laboratorio di misura delle vibrazioni e analisi modale.

1)G. Diana, F. Cheli, “Dinamica dei sistemi meccanici”, vol. 1 e vol. 2, Polipress , Milano

2) G. Genta, "Meccanica dell'autoveicolo", V edizione, Levrotto & Bella, Torino.

Denominazione: Meccanica dei Fluidi

Generalità

Introduzione al corso. Definizione di sostanza fluida. L’ipotesi del continuo. Dimensioni e unità di misura. Forze di massa e forze di superficie. Tensore degli sforzi e sue proprietà. Proprietà dei fluidi: comprimibilità, dilatabilità termica, tensione superficiale, viscosità. Fluidi non-newtoniani. Assorbimento dei gas.

Statica dei fluidi

Sforzi nei fluidi in quiete. Equazione indefinita della statica dei fluidi. Equazione globale dell’equilibrio statico. Statica dei fluidi pesanti e incomprimibili. Misura delle pressioni. Spinte su superfici piane. Spinte su superfici curve.

Cinematica

Cinematica dei fluidi. Approcci euleriano e lagrangiano. Velocità e accelerazione. Teorema del trasporto di Reynolds. Visualizzazione del campo di moto. Traiettorie. Linee di corrente. Linee di fumo. Tubi di Flusso. Tipi di moto. Moto permanente. Moto vario. Moto uniforme. Moti bidimensionali.

Equazione indefinita di continuità. Equazione globale di continuità per volumi di controllo fissi nello spazio. Equazione di continuità applicata alle correnti. Deformazione degli elementi fluidi. Velocità di rotazione e di deformazione. Moti irrotazionali.

Dinamica dei fluidi

Equazione indefinita del moto. Equazione di Eulero. Condizioni al contorno. Equazione globale dell’equilibrio dinamico. Equazione di Eulero nella terna intrinseca ad una linea di corrente. Correnti gradualmente variate. Distribuzione della pressione. Teorema di Bernoulli. Rappresentazione geometrica del teorema di Bernoulli. Significato energetico del teorema di Bernoulli. Equazione dell'energia meccanica. Processi di efflusso. Estensione del teorema di Bernoulli alle correnti. Scambio di energia fra una corrente e una macchiana. Venturimetro. Tubo di Pitot. Estensione del teorema di Bernoulli ai fluidi reali. Legame costitutivo dei fluidi viscosi. Le equazioni di Navier-Stokes. Equazione globale dell’equilibrio dinamico per i fluidi viscosi.

Correnti in pressione

Regimi di movimento. Esperienza di Reynolds. Azione di trascinamento di una corrente. Sforzo tangenziale. Moto laminare in un condotto a sezione circolare. Formula di Poiseuille. Flusso tra piastre piane e parallele. Moto turbolento. L’equazione del moto medio. Sforzi tangenziali viscosi e turbolenti. Applicazione del teorema di Buckingham per la determinazione della forma della legge di resistenza. Formula di Darcy-Weisbach. Indice di resistenza. Moto nei tubi lisci. Indice di resistenza nei tubi lisci. Cenni sulla distribuzione di velocità nel moto turbolento in un tubo liscio. Moto nei tubi scabri. Indice di resistenza nei tubi scabri. Abaco di Moody. Cenni sulla distribuzione di velocità nel moto turbolento in un tubo scabro. Formule pratiche per il calcolo della resistenza. Perdite di carico localizzate. Dissipazioni di energia per brusco allargamento, per imbocco a spigolo vivo e per sbocco in un serbatoio. Condotte in depressione.

1) Y. A. Cengel, J.M. Cimbala "Fluid Mechanics - Fundamentals and Applications" Fourth Edition, McGraw-Hill.

2) G. Alfonsi, E. Orsi "Problemi di Idraulica e Meccanica dei Fluidi" CEA Milano, 1984.

3) G. Pezzinga "Esercizi di Meccanica dei Fluidi" Aracne editrice, 2008.

4) Appunti forniti dal docente reperibili sulla Piattaforma Studiumdurante lo svolgimento del corso.

Fondamenti delle operazioni di misura. Concetti di grandezza e misura. Sistemi di unità di misura: CGS, MKS, Sistema Tecnico, Sistema Inglese, Sistema Internazionale. Equazioni dimensionali. Schemi di misura: strumenti diretti, indiretti, ad azzeramento e a deviazione. Teoria dei sistemi di misura: scopo della misura; analisi funzionale di uno strumento; trasduttori attivi e passivi; flusso di informazioni nella catena di misura; errori dovuti a fattori di disturbo. Analisi statistica per la valutazione "a posteriori" delle incertezze: rappresentazione degli errori; miglior stima, deviazione standard e deviazione standard della media; curva di Gauss; propagazione dell'errore; criterio di Chauvenet; metodo dei minimi quadrati (regressione lineare), covarianza e correlazione. Prestazioni statiche degli strumenti: calibrazione statica; caratteristiche metrologiche e cause di errore degli strumenti: sensibilità; linearità; ripetibilità; accuratezza; precisione; finezza (errore di inserimento); isteresi; mobilità e risoluzione. Comportamento dinamico degli strumenti: risposta a segnali tempo-variabili; larghezza di banda; strumenti di ordine 0, 1 e 2; funzione di trasferimento; calibrazione dinamica. Circuiti e strumenti analogici: ponte di Wheatstone; circuito potenziometrico; galvanometro; oscilloscopio. Misura delle principali grandezze meccaniche: lunghezza e spostamento; velocità e flusso; vibrazione e accelerazione; massa e forza; temperatura; potenza meccanica; pressione. Analisi sforzi-deformazioni: metodi locali (misure estensimetriche).

1. E. O. Doebelin, Strumenti e metodi di misura, McGraw-Hill. Milano.2. A. Ajovalasit, Analisi delle sollecitazioni: estensimetria. Università di Palermo.3. J.R. Taylor, Introduzione all’analisi degli errori, Zanichelli.Dispense e slide a cura del docente.

Tecniche di progetto. Funzioni singolari. Prove su materiali.

Travi, diagrammi di T e M.

Tensioni ideali.

Fatica dei materiali.

Progettazione integrata. Progettazione ecocompatibile.

Selezione dei materiali.

Danno cumulativo. Metodo termografico.

Effetti di intaglio.

Smorzamento.

Molle.

Molle a balestra su supporti ad asta. Molle a rigidezza progressiva.

Molle a spirale. Molle di torsione.

Molle di torsione coniche.

Molle ad anello.

Tubi. Collegamenti forzati.

Collegamenti forzati albero-mozzo.

Collegamenti forzati piastra-volano.

Chiavette, linguette, profili scanalati.

Progetto di ruote dentate in condizioni statiche e dinamiche.

Lubrificazione: equazioni generali. Pattino.Coppia rotoidale.

Teoria di Hertz. Formula di Stribeck.

Cuscinetti volventi.

Giunti a flange.

Giunti elastici. Giunto Bibby. Giunto Voith-Maurer.

Giunto cardanico. Giunto di Oldham.

Ruote dentate. Spessore del dente. Raccordo Schiebel.

Numero minimo di denti. Strisciamento specifico.

Calcolo ingranaggi. Correzione dinamica della tensione ammissibile.

Calcolo a flessione. Calcolo ad usura. Ruote corrette.

Dimensionamento modulare delle ruote dentate.

Innesti.

Esercizi sul dimensionamento e la verifica degli organi meccanici.

1. R. Giovannozzi. Costruzione di Macchine. Patron Editore.

2. A. Risitano. Mechanical design. CRC press.

3. Budinas: Progetto e costruzione di macchine. McGraw-Hill. Shigley's Mechanical Engineering Design. Mc Graw Hill.

4. Funaioli:Meccanica applicata alle macchine. Patron. Vol. I.

Metal Casting, Material rmoval processes,Quality management,Production planning.

M. P. GrooverFundamentals of Modern Manufacturing Wiley
Micari Analisi e tecnologia delle lavorazioni meccaniche McGraw-Hill.
Montgomery, Introduction of Statistical Quality Control
Bozarth, Introduction to Operations And Supply Chain Management, Pearson

Contents of the course (C = classes, L = lab., E = exercitation).



1) Elastoplastic response of materials (45 h, prof. G. Mirone)


C1) Introduction to plasticity - Normality rule and consistency condition – hardening – associate plasticity and yield surface – von Mises plasticity –Path dependence of plastic straining – Pressure and Lode dependent yield surfaces – Experimental determination of the hardening curve – Necking – Experimental characterization – Engineering, True and Flow curves – MLR and MVB methods for round and rectangular section specimens - Practical notions for Finite Elements (FEM) modeling;
L1) Laboratory experiments for characterization and flow curve validation: (tensile tests of round/flat smooth/notched specimens);
E1) - Finite elements implementation of tensile tests and comparison of results with experimental data for FEM validation;




2) Damage mechanics and ductile failure (25 h, prof. G. Mirone)


C2) Triaxiality factor and Lode angle – Rice-Tracey introductory model - Phenomenological damage models (Bao-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki etc.) –Problems of mesh dependence for failure propagation in finite elements;
E2) Finite elements design of simple components / special specimens inculding damage models via postprocessing and/or via user subroutines;
L2) Lab. Testing of components designed in E2), verificarion of the design predictive accuracy;




3) Dynamics and High Strain Rate effects (20 h, prof. G. Mirone)


C3) Strain rate effect and models of dynamic hardening – Plastic work dissipation and self heating in dynamics – Experimental procedures for high strain rate testing – Elastic waves propagation in rods – Split Hopkinson Tensile Bar equipment (SHTB);
L3) Lab. Experiments with Split Hopkinson Tensile Bar (SHTB) - evaluation of dynamic stress-strain curves – calibration of simple models for dynamic hardening;
E3) Finite Elements implementation of dynamic SHTB tests;




4) Thermal methods for fatigue asessment (30 h, prof. G. Fargione)


C4) Review of advanced fatigue concepts – random loading and multiaxial fatigue – staircase method - infrared (IR) detection of heat – Training on Thermocamera Flir model…. commands and software – Procedure for determination of the fatigue limits by thermocamera – Laboratory activity tests.
L4) thermocamera acquisition from static/fatigue tests;
E4) Postprocessing of experimental IR data;

[1] Course lecture notes

Prove di fatica prove statiche su provini in metallo

Manuali delle macchine di laboratorio

Descrizione dei difetti generati durante i processi di elaborazione in
fornace, colata, lavorazioni plastiche a freddo o a caldo di elementi
metallici. Descrizione dei difetti prodotti durante vari metodi di
saldatura, durante le lavorazioni meccaniche o durante l'esercizio di
elementi meccanici. Analisi dei seguenti metodi di prova non distruttivi
per l'individuazione dei difetti: Indagine visiva, Liquidi penetranti,
Magnetoscopia, Emissione acustica, Termografia, Correnti indotte,
Radiografia, Ultrasuoni e Rilevazione fughe.

C. Hellier, Handbook of Nondestructive Evaluation, 3rd Ed. McGraw-Hill Education.Dispense e slide a cura del docente.

A) Teoria

1a.Tecniche di Manifattura Additiva per materiali polimerici: Manifattura Additiva per Estrusione (FFF, FDM); Stampa 3D mediante polimerizzazione di resina (DLP; LCD; LCA; InkJet Printing); Sinterizzazione Laser (SLS).

2a. Processi di lavorazione dei materiali polimerici: Estrusione, Stampaggio ad Iniezione, Stampaggio per Soffiaggio, Stampaggio per compressione.

3a. Miscelazione reattiva dei polimeri

4a. Reologia e cinetica di reazione dei materiali termoindurenti

5a. Processi di produzione dei materiali compositi.

B) Esperienze di Laboratorio

1b) Esercitazioni di manifattura additiva: Impostazione del processo di stampa mediante software dedicati; Esperimenti di stampa 3D su geometrie semplici; Esempi di stampa 3D su geometrie complesse (casi studio)

2b) Esercitazioni di estrusione: Preparazione di una miscela polimerica binaria; Preparazione di una compound polimerico rinforzato.

3b) Esercitazione di stampaggio ad iniezione: preparazione di campioni ad "osso di cane" o altra geometria semplice utilizzano le formulazioni preparate al punto 2b).

4b) Esercitazioni di realizzazione manufatti in materiale fibrorinforzato: preparazione di pannelli, o geometrie semplici, utilizzando la tecnica del Hand Lay Up o del VARTM.

C) Caso Studio: Lo studente selezionerà almeno un caso studio da realizzare autonomamente.

The following textbooks are suggested readings only. Slides and papers will be provided to the students during the course.1)I. Gibson l D. W. Rosen l B. Stucker"Additive ManufacturingTechnologies: Rapid Prototyping to Direct DigitalManufacturing", Springer, ISBN: 978-1-4419-1119-3

2) Tim A. Osswald and George Mendez "Materials Science of Polymers for Engineers", Hanser.

3) Raju S. Davé and Alfred C. Loos, "Processing of Composites", Hanser.

MACHINE DESIGN – II (9 cfu)

Objectives and organization

This course is aimed at delivering the main concepts of finite elements and of structural dynamics in the design of engines, machines and their mechanical components. The familiarization with modeling issues is also promoted, together with the implementation of the above concepts to practical cases.

Class exercises will be organized for practising with both self-written computer programs as well as commercial f.e. codes.



CONTENT OF THE COURSE

1) Matrix method and Finite Elements for structural calculation:

Matrix method for monodimensional plane structures - Stiffness matrix for an element - Global /local reference rotation matrix - Structure stiffness matrix - Permutation of dof and stiffness partitioning - Nodal displacements and reaction loads - Internal and external constraints - Element geometry, nodal displacement approximating polynomials - Shape functions - Differentiation and strains - Stress-load relationship - Principle of virtual work, Rayleigh Ritz method - Truss elements - Euler beam - 4 nodes plane elements (plane stress / plane strain membrane, Kirchoff plate, axysimmetric solid) - 8 noded esahedric element - Isoparametric formulation - Gauss integration - Matrix Equations for dynamic equilibrium - Consistency and direct lumping for mass matrices - Free undamped oscillatory solution - Rayleigh damping - State equations for damped oscillatory motion - Transitory and regimen damped oscillations.

References:


“Belingardi”, Parte 1 cap. 1; Parte 2 capp. 1, 2, 3; Parte 3 chapt. 1, 2,3, 4, 6, 7, 9, 11; Appendice 2.
“Zienkiewicz-Taylor” chapt. 17, Dispensa Gavin x matrici




2) Rotors and rotating discs:

Fundamental equations - constant thickness disc - effect of shaft and blade supporting ring - Hyperbolic, conical and uniform stress profile discs - Grammel method for arbitrary shape discs - Thermal stresses in discs with arbirtary profile – Centrifugal stress due to radial blades - Stress concentation around holes

References:

Giovannozzi –II” chapt. 10.



3) Critical speed of shafts:

Shaft with a single lumped mass - Critical speed, eccentricity, oscillations - Effect of transverse inertia - Effect of axial stress - Shaft with multiple lumped masses - Equivalent shaft - Vibration modes, eigenvalues and eigenvectors.

References:

“Giovannozzi –II” chapt. 11.



4) Torsional vibrations of shafts:

Introduction to torsional vibrations - Equivalent system for a torsionally vibrating shaft - Free and forced solutions for torsional vibrations of a shaft - Frequencies of series and parallel shafts systems - Inertia reduction to crank axis for traslating and rotating components of piston engines - Armonic decomposition of torque compinents induced by pressure and inertia - Main and secondary armonics in multi cylinder engines - Resonating armonics - Vibration amplitude of forced and resonating armonics - dynamic stress on crankshafts

References:

“Giovannozzi –II” chapt. 12.



5) Main components of piston engines:

Typical cranshaft configurations - Pulsating and rotating forces and moments of 1st and 2nd order - Loads on crankcase and engine mounts - Approximations for calculating critical speed of crankshafts - Design of piston pins - Design of connecting rod arm and eyes - Design of piston rings – Dynamics of engine distribution system - Valve opening, speed and acceleration - Cam profile calculation - Loads on camshafts, springs, valves and seats.

References:

“Giovannozzi –II” chapt. 17, 19.



6) Transmission gears:

Straight tooths conical gears - Tredgold model - Minimum number of teeth - Selection of gear parameters - Loads on conic gears - Helicoidal gears - front profile and normal profile - Minimum number of teeth - Helicoidal stub tooth profile - Loads on cylindrical gears with helicoidal teeth - Skew axes transmission - Arc of action and effective width - Loads and efficiency – Loads and efficiency – Conical gears with helicoidal teeth – Tipical shapes of inclined teeth – Planar/conical equivalent gear – Radial, tangential, axial loads.

References:

“Giovannozzi –II” chapt. 2, 3.



Textbooks

See next section.

Giovannozzi R., “Costruzione di Macchine Vol. II”, Patron (in Italian);
Belingardi G., “Il Metodo degli Elementi Finiti nella Progettazione Meccanica”, Levrotto & Bella (in Italian);
Zienkiewicz & Taylor, The finite elements method V. 1, Butterworth & Heinemann; (Cap. 17);
Cophra A., “Dynamics of Structures Theory and Application”, Prentice Hall;
Software Manuals (MATLAB, MSC MARC) ;

MOTORI ALTERNATIVI A COMBUSTIONE INTERNA - Classificazione dei motori alternativi a combustione interna. Richiami sul rendimento limite, sul rendimento termodinamico interno e sul rendimento organico. Combustione a volume e a pressione costante. - Cenni sui Biocombustibili. - Alimentazione dell'aria. - Riempimento nei motori a 4T: generalità, analisi dell’apparato di distribuzione. Riempimento nei motori a 2T: generalità, analisi del processo di lavaggio. - Alimentazione del combustibile nei motori ad accensione comandata. Carburatore elementare. - Alimentazione del combustibile nei motori ad accensione per compressione. Requisiti in termini di polverizzazione e di penetrazione del getto. Sistemi di iniezione. Common rail. – Cenni alla sovralimentazione - Combustione - Generalità: velocità di reazione e temperatura di accensione. Sviluppo normale della combustione. - Combustione nei motori ad accensione comandata - Numero di ottano. La combustione nei motori ad accensione spontanea. Numero di cetano. Cenni sulla polverizzazione e penetrazione del combustibile iniettato, turbolenza e moti di trascinamento della carica. - Emissioni di inquinanti: effetti nocivi, meccanismi di formazione, influenza dei parametri di funzionamento. - Applicazione numerica per la valutazione del rilascio termico nei MCI-SI; - Applicazione numerica per la determinazione del ciclo limite di un MCI-SI; - Applicazione numerica per il calcolo delle emissioni inquinanti di un MCI. I motori ibridi.

LA PROGETTAZIONE FLUIDODINAMICA DELLE TURBINE EOLICHE • Caratteristiche degli impianti motori eolici Introduzione. La classificazione delle turbine eoliche. Specificità degli impianti motori eolici. L’energia eolica. Taglie di potenza. • Modelli fluidodinamici del rotore. Analisi aerodinamica dei profili alari. Caratteristiche geometriche dei profili alari. I coefficienti di potenza e resistenza. Analisi fluidodinamica del rotore. Rappresentazione dei triangoli di velocità. Analisi delle forze. • Modelli matematici per il calcolo delle prestazioni. Introduzione. La Blade Element Momentum (BEM) Theory per macchine ad asse verticale. La procedura iterativa per la soluzione finale. I coefficienti d’induzione assiale. Analisi delle prestazioni: potenza e coefficiente di potenza. Confronto con dati sperimentali. Applicazione numerica sulle turbine eoliche ad asse verticale. Le prestazioni durante il funzionamento in “off design”. La Blade Element Momentum (BEM) Theory per macchine ad asse orizzontale. La procedura iterativa per la soluzione finale. I coefficienti d’induzione assiale. E tangenziale. Analisi delle prestazioni: potenza e coefficiente di potenza. Confronto con dati sperimentali. Applicazione numerica sulle turbine eoliche ad asse orizzontale. Le prestazioni durante il funzionamento in “off design”. -Applicazione Numerica per la progettazione fluidodinamica di una turbina eolica ad asse orizzontale; -Applicazione Numerica per la progettazione fluidodinamica di una turbina eolica ad asse verticale.

LA PROGETTAZIONE FLUIDODINAMICA DELLE GALLERIE DEL VENTO SUBSONICHE • Generalità sulle gallerie del vento. Introduzione. Cenni alle tipologie di gallerie del vento: Gallerie del vento sub soniche, supersoniche, ipersoniche. Gallerie del vento a circuito aperto ed a circuito chiuso. Gallerie del vento per applicazioni terrestri ed aeronautiche. Profili di velocità in camera di prova. • I componenti di una galleria del vento subsonica. Il convergente. La camera di prova. Il divergente. I deviatori di flusso angolari. Il ventilatore. La camera di calma. La struttura con celle a nido d’ape (honeycomb) per il raddrizzamento del flusso. Le griglie per l’abbattimento del livello di turbolenza. • La progettazione fluidodinamica. Valutazione delle perdite di carico nei vari componenti della galleria del vento. Andamento della pressione statica all’interno della galleria del vento. La pressione statica cumulativa all’interno della galleria del vento. L’efficienza energetica di una galleria del vento (Energy Ratio). La scelta della macchina aeraulica. Macchine operatrici assiali.

[1] J.B. Heywood: "Internal combustion engine fundamentals", Mc Graw Hill
[2] G.Ferrari: "Motori a Combustione Interna", Società Editrice Esculapio
[3] Battisti L.: Gli impianti motori eolici, Green Place Energies
[4] Sphera DA, editor. Wind turbine technology: fundamental concepts of wind turbine engineering.
[5] Barlow, Rae, Pope: Low Speed Wind Tunnel Testing. John Wiley & Sons, Inc. Third Edition

[6]G.Ferrari: "Internal Combustion Engines", Società Editrice Esculapio