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PORTALE DELLA DIDATTICA

Costruzione di motori per aeromobili

01LKCMT

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 41
Esercitazioni in aula 40
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Botto Daniele Professore Associato ING-IND/14 41 13 0 0 4
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/14
ING-IND/14
2
6
F - Altre (art. 10, comma 1, lettera f)
C - Affini o integrative
Altre conoscenze utili per l'inserimento nel mondo del lavoro
Attività formative affini o integrative
2018/19
La Costruzione dei motori per aeromobili prepara gli studenti a identificare come la macchina “motore aeronautico” realizza i movimenti delle sue varie parti tramite componenti capaci di resistere alle sollecitazioni meccaniche e termiche, a verificare la resistenza meccanica di un componente definito a disegno, a proporre soluzioni per progettare un nuovo componente sulla base di specifiche. Al termine dell’insegnamento lo studente sarà capace di comprendere e utilizzare i requisiti funzionali e le specifiche di progetto, i componenti e i sistemi meccanici dei tipi già noti valutandone caratteristiche e limiti, di determinare forma e dimensione di nuovi componenti del motore, di prevederne la resistenza e la durata, di valutare i materiali più adatti ad ogni applicazione, di tenere conto delle normative e dei vincoli tecnologici, di adottare gli strumenti di calcolo numerici o analitici più appropriati, di conoscere i criteri per valutare e approvare un progetto nel suo complesso e, in conclusione, di assumere la responsabilità di una decisione basandosi su evidenze in linea con criteri tecnici aggiornati.
Machine Design prepares engineering students to identify how a device consisting of fixed and moving parts – the machine – can transmit mechanical energy in the ways which are best suited for a specific application. By the end of the semester the student will be able to deal with functional requirements and design specifications, to use a variety of existing mechanical components and systems and their most appropriate domain of application, to determine the shape and size of the machine components and to predict component strength and life, to choose materials best suited for the application, to take into account up-to-date standards or codes of practice and technological constraints, to employ the appropriate analytical models and numerical tools, to deploy all the appropriate arguments to assess and approve a design, and, in summary, to be able to take a responsible decision based on best current practice.
Agli specialisti in costruzione di macchine, e quindi anche agli ingegneri specializzati in progettazione e analisi meccanica dei propulsori, si affida tipicamente il compito di dare forma ai componenti strutturali e loro sistemi, tenuto conto delle condizioni al contorno poste dal progetto termodinamico e fluidodinamico del motore. Al livello di soglia questo ingegnere deve essere capace di analizzare un componente esistente o di produrre modifiche che consentano di soddisfare requisiti specificati. Applica metodi e utilizza software commerciale secondo specifiche assegnate e sotto la supervisione di un ingegnere più esperto. Al livello standard professionale questo ingegnere deve essere capace di produrre soluzioni nuove per componenti o sistemi che raggiungano date prestazioni. Deve essere indipendente nel scegliere i metodi appropriati di analisi teorica, numerica e sperimentale. Questo modulo di insegnamento si propone di fornire al livello di base le conoscenze e le abilità (ossia le capacità di applicare le conoscenze) necessarie al progetto e alla verifica dei componenti meccanici del motore aeronautico. Gli argomenti in Programma (punti da n. 1 a n. 7) sono selezionati sia perché sono frequenti e importanti nei motori aeronautici sia perché coprono una gamma di classi di problemi e metodi sufficientemente ampia anche se purtroppo - per evidenti limiti di tempo - non completa. Al fine di sviluppare le competenze di soglia - comunque indispensabili - richieste nella verifica di qualsiasi componente di macchina, allo studente si chiede di dimostrare, entro la fine di questo modulo del corso, il raggiungimento di conoscenze sui seguenti punti di particolare importanza : - conoscere la teoria, e le prove sperimentali di supporto, che sono alla base dei modelli matematici di componenti meccanici - individuare i punti critici di cedimento, secondo tutti i possibili meccanismi di rottura, valutare le incertezze e applicare i coefficienti di sicurezza appropriati, valutare se le sollecitazioni sono ammissibili - analizzare un componente di macchina esistente per verificare se soddisfa requisiti assegnati - identificare i parametri dominanti nel progetto di un componente, definire la forma e le dimensioni di un componente di macchina , sapere introdurre le opportune modifiche di progettazione per incrementare resistenza e durata o per migliorare le prestazioni - analizzare le prestazioni meccaniche dei componenti che interagiscono assemblati in una macchina, e quindi la cinematica, le forze e le tensioni scambiate - sapere come mitigare le tensioni dovute ai carichi e i loro effetti ai fini della resistenza, agendo su forma e dimensione delle parti, sui materiali e loro trattamenti, sulle tecnologie - conoscere i fondamenti teorici di norme, codici e regolamenti che devono essere utilizzati in un contesto professionale - avere conoscenza di alcune norme, o di alcuni codici e regolamenti relativi alla progettazione meccanica nell’ambito della costruzione delle macchine e capacità di applicare le conoscenze: - leggere correttamente il disegno meccanico di una macchina o un suo sottosistema (tipiche e professionalmente necessarie le diverse soluzioni alternative per i montaggi dei cuscinetti), identificare le parti ed il loro assemblaggio, identificare i vincoli imposti dalle sollecitazioni meccaniche e termiche, dai requisiti funzionali e dai materiali - proporre altri modi per assemblare componenti in un sistema meccanico per ottenere la stessa funzione - applicare la teoria e i modelli matematici per la progettazione o la verifica dei componenti e della macchina - identificare i dati necessari a un progetto e avere strumenti per reperirli in sedi affidabili - identificare o proporre metodi per la verifica sperimentale di previsioni o modelli teorici - presentare, in forma sia orale sia scritta, un insieme chiaro e ben strutturato di considerazioni pertinenti sulle assunzioni di progetti, sui metodi impiegati e sui risultati - leggere, comprendere e commentare materiale tecnico da libri, da manuali e da qualsiasi altra fonte - valutare gli ordini di grandezza dei valori numerici che ragionevolmente l'ingegnere si deve attendere nel proprio contesto - conoscere, o essere in grado di rintracciare, la terminologia internazionale, e in particolare - ma non esclusivamente - quella inglese. Un progetto condotto lungo l’intero semestre consente di esplorare più a fondo le conseguenze di scelte diverse su un sistema meccanico complesso (è frequente il caso di un riduttore meccanico) e di sviluppare alcune delle caratteristiche di un livello standard professionale: - identificare architetture di macchina in competizione sulla base delle prestazioni richieste, anche in presenza di informazioni non complete - proporre nuove soluzioni progetti per componenti o sistemi della macchina; - proporre modifiche alla forma, dimensione e al materiale del componente o della sua interfaccia con altri componenti al fine di migliorarne le prestazioni - proporre varianti al montaggio delle parti che compongono il sistema meccanico.
Foreword: Machine Design engineers/analysts are typically tasked with designing structural and mechanical components of machines (bolted connections, transmissions, bearings, shafts, couplings, springs, etc.) and the assembled systems which these components are part of. At the threshold professional level the Machine Design engineers/analysts must be able to analyse an existing machine component or design modification to meet given requirements: they apply methods and use existing software according to given specifications and under the supervision of a senior engineer. At the standard professional level the Machine Design engineers/analysts must be able to produce new designs for machine components or systems to meet specified requirements: they choose the appropriate analytical or numerical methods and use them under their own responsibility. As a consequence this Subject Module aims at competences at the threshold level through the study of a selection of representative and complementary classes of problems each requiring a specific treatment (Contents 1 to 5), and introduces students to the standard level by exposure to a semester-long project where an assembled machine is examined and design alternatives are proposed and compared. In order to develop the required competences applicable to any type of mechanical structure or machine, students are required, by the end of this course module, to show achievement of the following main points of knowledge: know the theory, and the experimental evidence in support, which underpin the mathematical models of mechanical components identify the critical weak points for strength, according to all possible failure mechanisms, evaluate uncertainties and apply the appropriate safety coefficients, assess whether the stresses are admissible - analyse an existing machine component to check whether it meets given requirements - identify the governing parameters in a component design, define the shape and size of machine components, know how to introduce appropriate design modifications to improve strength and life or to upgrade specifications; this may extend, in some selected cases, to propose new designs for machine components or systems while taking full responsibility to that - analyze the mechanical performance of interacting components assembled in a machine, i.e. kinematics, exchanged loads and stresses by means of analytical methods and modelling techniques, whether analytical or numerical - know the theoretical background of the relevant standards, codes and regulations which are used in a professional context and skills: - correctly read the mechanical drawing of a machine or its subsystem, identify parts and their assembly, understand constraints taking account of mechanical and thermal stress conditions, functional requirements, material strength - be able to propose more ways to assemble components into a mechanical system to achieve the same function - be able to apply the theory and the mathematical models to component and machine designs - identify which data are needed to a design, and where they can be found - deploy the appropriate reasoning to approve a design, and be able to take a responsible decision based on evidence - know how theoretical or numerical predictions or models can be checked with appropriate experimental tests - be able to present, in both oral and written forms, a clear and well-structured set of relevant considerations on design assumptions, methods employed and results - be able to read, understand and comment technical material from books, manuals and any other source.
L’allievo che accede a questo insegnamento conosce già, ed è capace di utilizzare per le applicazioni nella scienza dei materiali, i tensori di tensione e deformazione e le loro principali proprietà, la rappresentazione grafica (Mohr) dello stato di tensione, il comportamento bi/tri-dimensionale dei materiali elastici, i criteri statici di verifica dei materiali elastici duttili e fragili (criteri della tensione normale massima, della tensione tangenziale massima o di Tresca, della massima energia di distorsione o di Von Mises). Inoltre padroneggia la meccanica delle forze, la cinematica, la dinamica dei corpi rigidi; per quanto riguarda i corpi deformabili in particolare la distribuzione delle caratteristiche di sollecitazione su corpi prismatici (trazione, flessione, torsione) e il relativo calcolo delle tensioni sulle sezioni rette. È desiderabile che l’allievo disponga di nozioni sulla manipolazione di tensori e matrici. È infine necessaria la comprensione della lingua inglese scritta, al livello delle diapositive che il docente utilizzerà a lezione e degli estratti da pubblicazioni, testi tecnico/scientifici e manuali.
Attendance of this module requires fluent spoken and written English as a necessary pre-requisite: all lectures and tutorials, and all study material will be in English. Standard mathematics for engineers is sufficient. It is assumed that students taking this course-module already have knowledge and understanding of the strength of materials principles; in detail, they know and use strain and stress tensors and their principal properties, preferably in matrix notation, their graphical representation through Mohr circles, the two and three dimensional behaviour of elastic materials, the constant force design criteria of brittle and ductile materials (maximum normal stress, maximum shear stress or Tresca, maximum distortion energy or Von Mises). Moreover they master the mechanics of forces and the dynamic of rigid bodies; as to deformable bodies, they master bar and beam problems for tension, bending and torsion, and know ensuing the cross section stress distribution. It would be an advantage if students would have a prior knowledge of basic machine design elements, technical drafting and elements of mechanical machining technologies.
Il seguente programma è proposto di preventivo, saranno possibili modesti cambiamenti. 1 - (eserc. 6 ore) Verifica statica di un albero di trasmissione. Criteri per la stesura di una relazione tecnica, riesame dei criteri per la resistenza statica dei materiali metallici isotropi. Applicazione al progetto di semestre “gearbox". 2 - (lez. ed eserc. 12 ore) Verifica a fatica di un elemento di trasmissione. Criteri per l’interpretazione del comportamento a fatica dei materiali, per la scelta dei parametri che governano la fatica, per la determinazione sperimentale dei loro valori. Criteri di passaggio dai parametri di riferimento ottenuti sperimentalmente alle situazioni di maggiore complessità che si trovano presenti negli oggetti costruiti. Applicazione al progetto di semestre. Applicazione al progetto di semestre “gearbox". 3 - (lez. ed eserc. 12 ore) Collegamenti tramite viti. Distribuzione dei carichi tra vite e madrevite, montaggio e interferenza vite/pezzo, ripartizione del carico, verifica di resistenza della vite. Applicazione a un collegamento asta/stantuffo di un cilindro idraulico Applicazione a un collegamento tra dischi e albero di una turbina di bassa pressione. Applicazione al progetto di semestre “gearbox". 4 - (lez. ed eserc. 13,5 ore) Calcolo elastico di dischi rotanti di compressore o turbina. Cenni ai dischi di uniforme resistenza, dischi rotanti a profilo costante; analogie con il calcolo dei tubi spessi in campo sia elastico sia plastico e degli accoppiamenti forzati per interferenza. Applicazione a un accoppiamento forzato per trasmissione di coppia. Applicazione a un disco reale di compressore o turbina a profilo variabile, e relativi criteri di verifica. 5 - (lez. ed eserc. 10,5 ore) Teoria dei contatti Hertziani. Analisi approfondita della teoria di Hertz e conseguenze per le pressioni di contatto e per lo stato di sollecitazione, statico e a fatica. Teoria di base della fatica a rotolamento. Applicazione ad alcuni contatti tipici e determinazione delle condizioni di resistenza. 6 - (lez. ed eserc. 12 ore) Cuscinetti a rotolamento. Distribuzione dei carichi tra corpi rotolanti per cuscinetti radiali e obliqui, analisi delle tensioni al contatto sulle piste. Limiti statici e applicazione dei criteri di Palmgren-Weibull per la fatica di rotolamento. Giustificazione delle formule di verifica statica e a fatica secondo i manuali. Applicazione a un cuscinetto ad alta velocità. Applicazione al progetto di semestre “gearbox". 7 - (lez. ed eserc. 13,5 ore) Ingranaggi ad evolvente, diritti ed elicoidali. Geometria, spostamento dei profili, interferenza, resistenza a fatica e a contatto. Applicazioni a una gamma di problemi in contesto applicativo. Applicazione al progetto di semestre “gearbox". 8- (1,5 ore) A disposizione per integrazioni e recuperi
0 – Review of applied criteria for static strength of isotropic metallic materials (tutorials 3 hrs) 1 – Design against fatigue (lectures 9 hrs, tutorials 6 hrs): - History and overview of fatigue problems - Stress-life fatigue: basic material properties, specimen testing - Stress-life fatigue: component fatigue - Tutorial 1a: selection of overview exercises - Semester Tutorial: Application to the design of gearbox shafts 2 – Bolted connections (lectures 6 hrs, tutorials 6 hrs): - Prestressed single bolt connections (non gasketed) - Refinements and special problems - Elements of gasketed bolted connections - Tutorial 2a: selection of overview exercises - Tutorial 2b: application to an hydraulic piston or to a tie-rod connection - Semester Tutorial: Application to the design of gearbox shafts - connections 3 – Hertz contact and rolling bearings (lectures 9 hrs, tutorials 9 hrs): - Hertz theory and applications - Rolling bearings: static loading - Rolling bearings: fatigue - Design of bearing arrangements - Tutorial 3a: application of Hertz theory to strength of a selection of contact cases - Tutorial 3b: application to loading and stresses in a high speed bearing - Semester Tutorial: Application to the design of gearbox shafts – rolling bearings assembly and sizing 4 – Gears (lectures 9 hrs, tutorials 9 hrs): - Summary of motion transmission, tooth shape - Spur and helical gears with parallel axes: kinematics, geometry, forces - Cutting techniques and profile displacement - Criteria for strength assessment of gears: fatigue, hertz contact, wear, scuffing - Tutorial 4a: selection of overview exercises - Semester Tutorial: Application to the design of gearbox shafts - sizing of a set of gears in a gearbox 5 – Rotating discs (lectures 6 hrs, tutorials 6 hrs): - Summary of plane elastic fields and elastic stresses in discs and thick-walled tubes - Plastic stresses in thick-walled tubes - Rotating discs: elastic and plastic solutions (fatigue, thermal stresses, burst) - Tutorial 5: numerical calculation of elastic and plastic stresses in a rotating disc, strength assessment 6 – Seminars, visits, unplanned teaching and student support (lectures 3 hrs, tutorials 3 hrs).
Crediti 8, 80 ore in classe (40 ore di lezione, 40 ore di esercitazione). Il carico totale di studio per questo modulo di insegnamento è circa 200 ore, ossia 25 ore per credito. Ciò include le ore in classe, il completamento delle relazioni di esercitazioni e la loro stesura, lo studio. Alle ore di lezione corrisponde quindi un uguale numero di ore di esercitazioni in aula strettamente collegate alle lezioni, durante le quali l’allievo viene esposto a raccolte di problemi o a piccoli progetti atti a svilupparne la capacità di applicare le conoscenze ai problemi così come questi si presentano in pratica. Vengono fornite e illustrate tracce di svolgimento ma non vengono svolti problemi alla lavagna. Si chiede invece agli allievi di organizzarsi in gruppi di massimo tre. A ogni gruppo viene fornito un fascicolo per ogni esercitazione da svolgere. Ciascun gruppo redige relazioni, in cui sono raccolti svolgimento e risultati, e ciascun componente del gruppo porterà la propria copia all’esame. Viene fornita assistenza continua in aula da parte di un esercitatore. Il docente è disponibile su appuntamento (e-mail) per chiarimenti sulle lezioni. È vivamente consigliato l’uso di EXCEL o di MATLAB, è richiesto l’uso di strumenti di disegno.
Credits 8, 80 classroom hours (40 lecture hours, 40 tutorial hours). The total study load for this course-module is 200 hours, i.e., 25 hours per credit. This includes classroom hours, self study, completion of tutorials at home and reporting. Class hours are equally shared between theoretical lectures and application tutorials, in order to achieve a balance between knowledge and skills. The subject is organised to allow students to progress incrementally in the development of their knowledge and skills under expert supervision. All lecture materials will be made available on the course unit website before the class activity. Students are urged to download or print them so to have them at hand to take notes. Lectures on a section of the material will be followed by specific tutorials, where students are required to apply knowledge to working context problems. The tutor will provide organised materials and frames for solutions. However, the students will solve the proposed tasks themselves in small groups (max 3 students) Moreover, there will be a semester-long project: in order to enhance problem solving capabilities, encourage independent thinking and develop professional reporting skills. For each task each group will produce a final report; the set of all reports will be examined during the final exam. Students are asked to work cooperatively in a small group environment. The tutor will assist the groups during the tutorial class hours, supporting students in their learning progression and clarifying their doubts. Attendance to both lectures AND tutorials is strongly recommended, this being vital to achieve the expected learning outcomes. The teacher and the tutor are available weekly during the teaching period in order to meet students for consultation; please contact them by e-mail. Tutorials may benefit from using EXCEL or MATLAB. Writing reports with editing software is not required; handwritten reports in block letters are fully acceptable if tidy and properly organised. The group decides. Drawing instruments (compass, set squares, scale rulers) are necessary.
Poiché questo modulo di insegnamento è una particolare sintesi di molti aspetti della costruzione di macchine applicata alla propulsione aeronautica, è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. A questi si fa comunque esplicito riferimento nel materiale fornito, dove vengono consigliati testi per approfondimenti. Lezioni: le dispense (in inglese), stampati delle diapositive utilizzate a lezione, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all’insegnamento sul portale della didattica. Esercitazioni: testi di problemi proposti, schede tecniche, sintesi da norme e manuali, (normalmente in inglese) vengono forniti dagli esercitatori in aula. Vengono, in seguito, messi a disposizione anche sul portale della didattica. Gli esercitatori forniscono inoltre, in aula, e tracce scritte di soluzione. Gli studenti sono invitati a scaricare o a stampare preventivamente il materiale che verrà utilizzato in aula da docenti in aula, in modo da facilitare l’annotazione di appunti.
Lectures: the subject is fully treated in the slides provided by the teacher. Reference textbooks of international standing are suggested. Tutorials: texts of problems, datasheets of materials, extracts of standards and manuals will be provided by the tutor. All lecture materials will be made available on the course website before the lecture starts. Students should either download or print the files before the lecture and use the copy to facilitate taking notes.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale obbligatoria; elaborato scritto prodotto in gruppo;
L’esame finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità, consiste di una prova scritta - della durata di 2 ore senza l'ausilio di appunti o libri, in qualsiasi forma, cartacea o digitale – e di una prova orale, della durata di circa 30 minuti. La prova scritta consiste di 3 quesiti: 2 domande sulle conoscenze e 1 esercizio di applicazione delle abilità. Le domande corrispondono ciascuna a una parte di capitolo scelto tra quelli relativi alle conoscenze illustrate a lezione, l’esercizio a un problema di calcolo affine a quelli sviluppati durante le esercitazioni. Il punteggio attribuito alla prova scritta è di 24 punti, assegnati sulla base della griglia di valutazione sotto riportata: - conoscenze e abilità complete e approfondite unite ad una corretta, precisa, sicura capacità di comprensione e applicazione; capacità nello stabilire collegamenti disciplinari e multidisciplinari e nel rielaborare con senso critico il lavoro svolto e i risultati ottenuti: 24 punti - conoscenze corrette e buone abilità; buona comprensione e capacità di effettuare collegamenti disciplinari e multidisciplinari: 20 punti - conoscenze e abilità corrette; buona comprensione e applicazione delle conoscenze: 18 punti - conoscenze degli aspetti principali degli argomenti e abilità essenziali pur commettendo errori non gravi: 14 punti - conoscenze e abilità incomplete; conoscenze applicate in modo incompleto e impreciso; errori e carenze logico-rielaborative: 10 punti - conoscenze e abilità con gravi lacune; gravi errori di comprensione e individuazione delle soluzioni; gravi carenze logico rielaborative: 6 punti - conoscenze e abilità del tutto mancanti o frammentarie; insufficiente comprensione del porblema e incapacità di individuare le soluzioni; mancanza di logica e capacatà di rielaborazione: 2 punti. Ogni quesito consente di ottenere un massimo di 8 punti. Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 14 punti con un minimo di 4 punti per ciascun quesito. Dopo la correzione degli scritti l’allievo viene convocato, se ne ha i requisiti, per una prova orale. Questa consiste in: - una revisione della prova scritta in cui gli esaminatori informano l’allievo sui criteri di correzione, ricevono eventuali precisazioni dell’allievo e decidono se modificare il giudizio. - Un colloquio tecnico con i docenti per valutare la capacità di affrontare autonomamente un problema di progettazione meccanica individuando la migliore applicazione delle conoscenze acquisite. Il colloquio vale fino a 4 punti nella valutazione complessiva. - Una discussione con i docenti di parti della relazione sulle esercitazioni che lo studente ha raccolto in un fascicolo personale da presentare al momento della prova orale; la discussione accerta la raggiunta capacità di applicare le conoscenze. La discussione vale fino 4 punti nella valutazione complessiva. La valutazione complessiva delle conoscenze e abilità è data dalla somma delle valutazioni parziali, ossia prova scritta e prova orale (colloquio e discussione). Il punteggio massimo raggiungibile è 32 Se il punteggio risultasse superiore a 30 la commissione valuterà, anche con un’indagine supplementare, se assegnare il voto 30 e Lode all’allievo. Scopo di questa graduazione analitica della prestazione dello studente è quello di valutare in modo affidabile il livello di raggiungimento dei risultati di apprendimento attesi sopra esposti.
Exam: written test; compulsory oral exam; group essay;
Achieved learning outcomes will be assessed by means of a final exam. In order to properly assess achievement of the expected learning outcomes, the examination is composed of different sections: a) written session, day 1: test, duration 2 hrs, closed book, composed of three questions, two on chapters or sections of the lectures to assess knowledge, one problem to assess skills; each question scores max 8 points; b) oral session, day 2: b1) preliminarily, each student is informed on the reasons for grading obtained, and may appeal with appropriate explanations b2) students will defend a technical theory or argument proposed by the teacher, to prove achievement of understanding of the subject: max additional 4 points b3) students will submit the full set of tutorial reports to the tutor, who will investigate effective personal achievement of know how: max additional 4 points


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