Corso di Laurea in Ingegneria Dei Materiali - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo (Automotive Engineering) - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Dell'Autoveicolo - Torino Corso di Laurea in Electronic And Communications Engineering (Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni) - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Chimica E Alimentare - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Civile - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Edile - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Per L'Ambiente E Il Territorio - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Fisica - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
I materiali, grazie alle loro molteplici proprietà (es. meccaniche, chimiche, fisiche, metallurgiche, ecc.) e applicazioni sono imprescindibili per lo sviluppo innovativo di numerosi settori industriali e ambiti ingegneristici. I prodotti realizzati con materiali innovativi in un paese ne misurano il livello socio-economico nonché le sue potenzialità di crescita. Il futuro spazio della progettazione sarà molto più ampio di quello attuale dovendo coniugare in modo più sistematico ed integrato le discipline ingegneristiche, i materiali, i processi e l'ambiente. Ne consegue che anche i relativi strumenti di analisi e progettazione dovranno essere più versatili e omnicomprensivi.
Il corso SPMAI intende fornire i fondamenti unitamente alle nuove metodologie multidisciplinari con gli annessi strumenti computazionali per una progettazione ingegneristica multifisica capace di coniugare i principali fattori che concorrono alla scelta dei materiali, dei processi e infine alla progettazione sostenibile di sistemi e strutture ingegneristiche. I metodi di scelta e progettazione con l'ausilio dell'ambiente Granta permettono di scegliere in modo ottimale e sostenibile i materiali e i processi, grazie ai relativi database precostituiti, tenendo inoltre conto della forma del componente/dispositivo d'interesse, oltre alla composizione materiale e la microstruttura interna. Quest'ultima può essere estesa a strutture (massive o sottili) monolitiche, porose, composite, o microarchitettate. La metodologia di scelta e progettazione sviluppata con Granta sarà applicata a problemi ingegneristici multidisciplinari (in campo meccanico, chimico, elettrico, magnetico, termico, ecc.) che possono prevedere vincoli e obiettivi multipli o contrastanti tra loro. Viceversa il software Mathcad offre un ambiente di calcolo semplice da utilizzare e molto versatile poiché permette di risolvere numericamente modelli ingegneristici legati al comportamento dei materiali o delle strutture nonché allo studio dei fenomeni nei processi produttivi con finalità relative alla progettazione micro-macro e/omultifisica. I problemi pratici trattati nel corso sono molteplici e variegati, dal momento che ciascun studente avrà facoltà di scegliere il proprio caso di studio, sia nelle applicazioni Granta che Mathcad, focalizzando meglio la loro capacità di "problem solving" ingegneristico. Pertanto, i casi di studio assegnati, oggetto dei project finali, saranno scelti dagli studenti in linea con il proprio orientamento ingegneristico.
NOTE: depending on the number of foreign students involved in the class, this course might be taught both in Italian and English; handhouts and notes will be provided in English and Italian before the lecture.
Materials, particularly their integration into products, e.g., components and complex structures, determine the socio-economical level of high developed and industrialized countries as well as their economic growth potentials and their technological development. Materials, due to their multiple properties (e.g. mechanical, chemical, physical, metallurgical, electrical etc.) are essential for the innovative development of most engineering and industrial sectors. Products performances depend on both material properties and manufacturing processes. Future educated engineers in any field are directed towards an ever increasing complexity of products and systems in terms of geometry, material, microstructure or even microarchitecture while meeting stringent environmental and sustainability requirements. Their proper design requires highly interdisciplinary fundamentals of materials science, processing technologies, physics, chemistry, strength of materials, information science, multiphysics modeling, numerical computation, environment & sustainability directives. To meet all these challenges, the future design engineer has to master multidisciplinary engineering design with the aid of computer modelling and simulation. Learning its fundamentals and tools enhance the understanding of the relationship between materials properties, component performance, manufacturing as well as the interactions with other factors such as the environment, energy saving, etc. As engineering components and systems are characterized by geometry the latter must enters in the material selection design methodologies as a further constraint. Moreover, multidisciplinary complexity imposes different design criteria to be combined such that multiple material properties, constrains and multiple or opposing objectives need to be solved simultaneously .
Thus, the course provides the basis and the tool to deal with multidisciplinary materials/process selection and multiphysics design. The tools are GRANTA-ANSYS and Mathcad softwares. The former is used for multidisciplinary materials/process selection by using built-in materials and processes databases including sustainability and LCA factors. The software allows the student to access a universe of more than 4000 materials and more than 250 manufacturing processes to choose from with their complete list of materials properties and attributes respectively. The package is then applied to multidisciplinary design of bulk components of arbitrary cross section beams and shaped thin sheets under multiple loading (mechanical, chemical, physical, etc.) conditions. The latter software will be applied to model and solve engineering problems involving materials, processes, 1D, 2D, or 3D geometry components, multiphysics phenomena in manufacturing processes and multiphysics design problems. Appropriate engineering solution methods and computational tools will be developed in the second part of the course using the MathCad software to analyze a wide range of engineering problems. The kinetic models combined to the structural aspects of materials or to the processing phenomena will be analyzed and solved numerically for a number of practical cases. Thus, by learning both design methodologies, the student will be able to build his/her own ”engineering modeling & design skill“ enablig quick and effective solving of multidisciplinary engineering problems. Numerous case studies will be solved and discussed during laboratory classes. The two final projects needed to pass the exam will be selected by the student though upon receiving approval by the teacher.
Lectures, exercise and laboratories classes are intended to guide the student to understand the case studies, to build own computational tools (flow chart), needed to carry a critical a-posteriori analysis of the results so that the student can strengthen his own desirable “engineering insight”.
Nearly 70% of the course is devoted to laboratory training and computational exercises, just 30% is spent for theoretical teaching.
- capacità di scelta dei materiali/processi e progettazione (ottimale, multidisciplinare, sostenibile) assistita dal software GRANTA-ANSYS in relazione a esempi d'interesse pratico.
- capacità di risolvere algoritmi o modelli ingegneristici multidisciplinari
- capacità di sviluppo ed elaborazione di modelli di calcolo dedicati allo studio di fenomeni (cinetici, chimici, fluidodinamici, multifisici) nei materiali e/o nei processi .
- acquisizione del “senso ingegneristico” con l'applicazione della metodologia di scelta e progettazione a un caso prescelto
- capacità di redigere una relazione tecnica, inerente i casi di studio assegnati, con annessa l'analisi critica dei risultati.
- capacità di approccio al 'problem solving' con l'ausilio della modellazione multifisica e il calcolo ingegneristico applicati a un caso prescelto in linea con l'orientamento ingegneristico individuale.
Capability of selecting materials and manufacturing processes aided by the CES-EDUPACK package for the engineering application at hand including the LCA constraints of sustainable environment.
Capability of solving algorithms of engineering interest.
Development of computational methodologies applied to fundamental phenomena (physical and kinetic) in materials.
Growth of the required “engineering insight” though the interpretation and the analysis of the achieved numerical results.
Capability of writing a technical report on the assigned case study (miniproject) which among other includes a critical assessment of the results and the comments on the difficulties encountered to perform the miniproject.
Capability of approaching to “the problem solving” by solving a case study in the engineering field of the student.
Il corso richiede conoscenze pregresse di Analisi I, Analisi II, Fisica I e II, scienza delle costruzioni, scienza e tecnologia dei materiali/materiali metallici, e nozioni di trasmissione del calore.
The basic fundamentals of Mathematical Analysis I, Mathematical Analysis II, Physics I, Physics II, Strength of Materials, Materials Science and Technology/Metallic Materials and Technology, Heat and Mass Transfer are assumed as learned by the student.
(LEZIONI 14h, ESERCITAZIONI DI LABORATORIO 46h)
Le lezioni e le esercitazioni in laboratorio hanno lo scopo di impartire le basi teoriche e pratiche sulle metodologie di scelta e progettazione proposte, favorire la necessaria familiarizzare con gli strumenti software forniti, guidare lo studente alla comprensione dei casi di studio, allo sviluppo di modelli ingegnestistici, alla risoluzione numerica dei relativi modelli fino all'interpretazione finale dei risultati conseguiti nei casi di studio prescelti così da sviluppare infine l'auspicato "senso ingegneristico multidisciplinare del progettista-modellista".
Lezioni (14h)
Richiami e fondamenti di scienza e tecnologia dei materiali. Principali proprietà dei materiali (elettriche, magnetiche, dielettriche, chimiche, termiche, acustiche e meccaniche); leggi costitutive ; concetto di microstruttura; processi produttivi; criteri di scelta dei materiali con l'ausilio del GRANTA-ANSYS; introduzione all’ambiente; mappe (a bolle) di Ashby delle proprietà; indici di prestazione del materiale, fattori di forma, funzione obiettivo e obiettivi multipli o conflittuali (minimizzazione della massa, costo, emissione CO2); definizione dei vincoli; relazione tra proprietà del materiale e (micro/macro)-struttura. Criteri di scelta di un materiale in funzione di sollecitazioni singole: a) elastiche, b) termiche, c) elettriche d) tenacità a frattura e sollecitazioni combinate. Criteri di scelta dei processi (6h). Richiami teorici ai metodi di calcolo ingegneristico; modellazione dei materiali e dei processi, determinazione delle proprietà con l'ausilio di modelli atomistici (8h).
Esercitazioni di laboratorio (24h). Uso del GRANTA-ANSYS: scelta dei materiali mediante le mappe di Ashby e varie funzioni obiettivo (peso, prestazioni, costo, impatto ambientale e consumo energetico); formulazione e risoluzione di casi di studio applicati alle principali discipline ingegneristiche coinvolte nel corso (scelta di una barra antiintrusione, rotore centrifugo, pannelli per serbatoi in pressione, pannelli multistrato con schiuma interna, ecc. (8h)
Introduzione all'ambiente Mathcad; apprendimento della maggior parte dei comandi di risoluzione analitica e numerica. Risoluzione di problemi ingegneristici mediante MathCad: derivazione delle proprietà dei materiali dalla curva di Lennard-Jones, operazioni vettoriali mediante l'applicazione delle quattro regole di Humé-Rothery, estrazione delle proprietà meccaniche dalla curva di trazione (ovvero di indentazione strumentata) nel caso di una lega AA2198 o rame; calcolo dell'energia sottesa dalla curva; trattamento di dati "rumorosi", best fitting di dati sperimentali con funzioni lineari, di potenza e spline; risoluzione di problemi di trasmissione del calore in transitorio applicati a processi di riscaldamento/raffreddamento dei materiali; risoluzione di problemi di campo 2D in stazionario (BVP); risoluzione di problemi dinamici applicati alle schiume (16h).
(LECTURES 28H, EXERCISE CLASS 8H, LABORATORY 24H)
Letures (28H).
Recall of basic fundamentals. Relevant materials properties (electrical, magnetic, dielectric, chemical, optical, thermal, acoustic and mechanical); main constitutive laws; concept of microstructure; common manufacturing processes; mixture rule in solid solution (6H).
Criteria of materials selection with the aid of CES-EDUPACK. Introduction to the software; display of material property data: structured and maps; construction of property tables and graphs; performance indices of the material, objective function (minimum of mass, cost CO2 emission) and constraints (sustainable environmental factor, energy consumption); multi-objective problems; shape factor, relationship between material properties and (micro/macro)-structure. Criteria of material selection as a function of either one single type of load (a) elastic, b) thermal, c) electrical, d) fracture toughness) and combined loads of different nature. Graphical and numerical solutions applied to simple problems. Manufacturing process maps (15H).
Modeling of materials and processes. Influence of surrounding environment on materials; effects from heat, chemical and electrical sources. The theory of dimensional analysis (PI-theorem) and its application to engineering problems (7H).
Training classes (8H)
Solution of selected cases studies (8H). Materials-based design applied (but not restricted only to) applications such as: springs, mirrors for large telescope, pressure tanks, cutting tools, membrane for pressure actuator, thermal insulators, solar heat sinks.
Training laboratory (24H).
Introduction to CES-EDUPACK: selection of materials by means of Ashby maps and various objective and constraint functions (weight, performance, cost, environment impact, energy consumption). Modeling and solution of case studies of interest to engineering disciplines involved in the course (14H).
Case studies presented in training classes or lectures: a) oxidation/corrosion of a metal, b) quenching of a plate by water immersion or spray, c) laser welding, d) polymer extrusion, e) gas phase deposition, f) mixing by stirring of a liquid mixture; g) phase transformations of a shape memory alloy, h) electrothermal contact between two materials, i) plastic behavior of an alloy, l) creep and grain growth of high temperature component, m) damping properties of a foam material after impact; n) instability phenomena in materials, o) impact of a sphere over a plate (denting).
Numerical solution of practical basic problems using MathCad: I/O data acquisition (e.g., thermocouple), mechanical properties extraction (from tensile curve), total mechanical energy subtended by the stress-strain curve, strengthening methods of alloys, materials (e.g., metallic, ceramic, polymer) behavior after heating with a selected source (ultrasonic, microwave, electron beam), determination of physical, thermal and mechanical properties in multiphase composite (10H).
Il corso potrebbe essere fornito in doppia lingua, ad esempio fornendo materiale in inglese e presentando le lezioni e le esercitazioni in inglese o viceversa; ulteriore materiale potrebbe essere fornito in lingua inglese.
SI VUOLE DISCUTERE L'OPPORTUNITA' DI FORNIRE IL CORSO IN LINGUA INGLESE QUALORA QUESTO POSSA PORTARE A UN SIGNIFICATIVO INCREMENTO DEL NUMERO DI STUDENTI BENEFICIARI DEL CORSO.
Il 30% delle ore del corso sono destinate alle lezioni teoriche per lo sviluppo delle singole parti della metodologia integrata proposta. Il restante 70 é impiegato nelle esercitazioni di laboratorio con lo scopo di guidare lo studente alla comprensioni degli strumenti software messi a disposizione, all’applicazione delle metodologie, alla risoluzione pratica o numerica dei casi di studio proposti, scelti o assegnati. Gli esercizi assegnati, benché non obbligatori, permettono al docente di: a) monitorare sistematicamente il grado di apprendimento ovvero di difficoltà manifestato dagli studenti, circostanza possibile data la provenienza variegata degli studenti; b) comprendere la difficoltà ed eventualmente porre rimedio e quindi modulare le lezioni e/o le esercitazioni per permettere un progresso omogeneo a tutti gli studenti durante il corso, c) educare ed abituare gli studenti a compilare i propri elaborati adempiendo a tutti i requisiti necessari onde massimizzare il massimo profitto nei project finali.
Approximately half of the course is devoted to training computational classes in laboratory. Specifically, while approximately half of the course is aimed at instructing and guiding the student to target applications and methodologies taught during lectures the other half of the course allow the student to numerically solve the selected/assigned case studies. At the same time the student learns how to assess the achieved his achieved results in a critical manner, which an essential capability needed to grow the desirable “engineering insight”.
Il materiale relativo alle lezioni e alle esercitazioni é reso disponibile in anticipo sottoforma di slide powerpoint caricate sul portale della didattica del corso. Per comprendere appieno i due ambienti software sono inoltre disponibili rispettivamente videolezioni di breve durata e brevi tutorial.
Per una maggiore comprensione della metodologia di scelta dei materiali e dei processi sono suggeriti i seguenti libri di testo:
M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 4th Edition; 2014.
M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, 2009.
M. F. Ashby and K. Johnson, Materials and Design: the art and science of materials selection in product design, 2nd Ed., 2010.
Electronic notes will be uploaded by the teacher before lecture together with the following text books:
M. F. Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, 4th Edition; 2014.
M. F. Ashby, Materials and the Environment: Eco-informed Material Choice, Butterworth-Heinemann, 2009.
M. F. Ashby and K. Johnson, Materials and Design: the art and science of materials selection in product design, 2nd Ed., 2010.
Lucidi delle lezioni; Dispense; Libro di testo; Esercizi; Esercizi risolti; Esercitazioni di laboratorio; Esercitazioni di laboratorio risolte; Materiale multimediale ; Strumenti di simulazione;
Lecture slides; Lecture notes; Text book; Exercises; Exercise with solutions ; Lab exercises; Lab exercises with solutions; Multimedia materials; Simulation tools;
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato progettuale individuale;
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
...
L'esame orale ha lo scopo di esaminare in dettaglio i due project, coerentemente con il l'orientamento ingegneristico dello studente, di evidenziarne chiaramente gli aspetti più salienti e originali attraverso un'analisi critica dei risultati e la messa in evidenza di eventuali difficoltà riscontrate durante lo svolgimento. Il voto finale é dato dalla somma algebrica dei voti assegnati ai due elaborati individuali obbligatori, realizzati rispettivamente con GRANTA e MathCad in seguito alla presentazione orale. Il voto finale può essere incrementato di ulteriori 2-3 punti quanto lo studente ha svolto periodicamente e puntualmente i seguenti elaborati, inviandone copia al docente: a) esercizi assegnati durante il corso, b) project di medio periodo comprensivo di spunti originali e completezza. Il project di medio periodo (assegnato e comune a tutti) richiede l'impiego di circa il 70% di tutte le conoscenze computazionali Mathcad richieste nel corso. Con il project finale GRANTA, lo studente sceglie un proprio componente o dispositivo funzionale/ strutturale, ne applica le metodologie di progettazione e/o scelta multiobiettivo dei materiali e dei relativi processi manifatturieri ottimizzandone la forma sulla base dei vincoli imposti compresi quelli di costo e sostenibilità. Con il project finale MathCad lo studente sceglie un argomento di proprio interesse, in linea con il proprio orientamento ingegneristico, ne formula l'algoritmo risolutivo, lo implementa su Mathcad, lo risolve e lo confronta con i risultati presenti in un articolo scientifico di riferimento tratto dalla letteratura internazionale o da libri di testo preselezionati ad hoc dal docente.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
The capability of material selection aided by CES-EDUPACK as well as that of modeling and numerically solving engineering case studies is evaluated during the training laboratories. All students (individually or in couple) develop the assigned exercises under the guidance of the teacher who assesses either their degree of progress or the type of difficulties by eventually adjusting the difficulty of the exercise. The overall degree of learning of the student is assessed especially at the end of training on CES-EDUPACK, specifically with the evaluation of the miniproject (to be developed individually or in couple) which has to be completed and delivered before the final exam.
The development of the final miniproject provides a useful means of evaluation of the individual student in terms of methodological approach other than of the learning ability of the basic concepts presented in lectures. The final exam includes both the discussion of the miniproject and an oral test. It attempts to evaluate individually to which level the learning and training abilities acquired by the student in the course allow him to setup and qualitatively solve an ex-novo engineering problem in the field of his interest. The criticism and conclusions contained in the technical report of the miniproject gives an hint on how to direct the oral test. The final mark of the exam results from averaging the mark of the miniproject and that of the oral test.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
