Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali

01SQRMT

A.A. 2019/20

2019/20

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Nella formazione dell’Ingegnere aerospaziale questo Corso offre l’opportunità di integrare la preparazione acquisita nei corsi di base a contenuto strutturale, più specificatamente indirizzati a fornire metodologie e strumenti per l’analisi dello stato di tensione e deformazione delle strutture aerospaziali sollecitate da carichi statici, con metodologie e strumenti per l’analisi dinamica delle strutture aerospaziali e relative prove di laboratorio, considerato che i carichi agenti su queste sono tipicamente di natura dinamica. A tal fine, il Corso prevede, oltre che lezioni ed esercitazioni in aula e laboratorio informatico con applicazione delle metodologie e degli strumenti illustrati a lezione, anche prove di laboratorio sperimentale svolte direttamente dagli studenti.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Questo corso tratta i modelli computazionali utilizzati per prevedere il comportamento delle strutture metalliche a guscio, a guscio nervato e integrali e delle strutture in materiale composito (laminati e sandwich) utilizzati nelle applicazioni aerospaziali. Il metodo degli elementi finiti e delle tecniche che lo hanno generato vengono discussi in dettaglio, allo scopo di apprenderne i fondamenti e l’utilizzo nel contesto industriale. Vengono trattati argomenti in modo coordinato con i successivi corsi di indirizzo, presentando anche numerose applicazioni pratiche.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

The course allows integrating the knowledge aerospace engineering students have acquired in the basic courses of structural contents, more specifically directed to provide methodologies and tools for the stress and strain analysis of statically loaded aerospace structures, with methodologies and tools for the numerical and experimental dynamic analysis of the same structures (since the loads acting on these are typically dynamic in nature). To this end, the course is based on lessons, classroom exercises, application of methodologies and tools in the computer lab, and experiments carried out by students in a laboratory.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali This course deals with computational models used by the designers in order to predict the behavior of monocoque and semi-monocoque metallic or laminated and sandwich composite plate and shell structures used in the aerospace applications. The finite element method and the techniques that have fostered its development are discussed into details with the aim of learning their fundamentals and usage in an industrial context. These topics are proposed in a coordinated way with the next structural courses and many practical applications are presented.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Capacità di eseguire valutazioni preliminari e di dettaglio sulla risposta dinamica di semplici componenti strutturali aerospaziali e di progettare e gestire prove di laboratorio sugli stessi, correlando criticamente i risultati della simulazione numerica con quelli della simulazione sperimentale.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Gli studenti acquisiranno conoscenze avanzate sui moderni metodi e sulle tecniche computazionali usate nel progetto delle strutture aerospaziali, con l’obiettivo di comprendere quali siano i modelli comportamentali idonei e le tecniche di soluzione adatte per ciascun tipo di problema affrontato tra quelli tipici e più rilevanti. Il corso contribuisce al conseguimento della capacità degli studenti di raggiungere il pieno sfruttamento delle prestazioni strutturali potenzialmente ottenibili attraverso l’uso di appropriati metodi di analisi.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Ability to perform preliminary and detailed analysis about the dynamic response of simple aerospace structural components, to design and manage laboratory tests on them, critically correlating numerical and experimental results.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali The students will achieve an advanced knowledge of modern methods and computational techniques employed in the design of aerospace structures, with the object to understand which are the suited models and the solution techniques for solving any relevant problem in the field. The course will promote the capability of students to fully exploit all potentially obtainable structural performance through the use of appropriate analysis methods.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Il corso utilizza concetti, nozioni e metodologie dei corsi di base di fisica e meccanica nonché elementi di analisi strutturale (deformazioni e spostamenti, equilibrio).

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Per seguire in modo efficace l’insegnamento, gli studenti devono conoscere i fondamenti dell’ analisi matematica e nozioni di base sulla teoria delle strutture comunemente insegnate nei corsi di ingegneria. Sono comunque brevemente richiamate tutte le nozioni necessarie durante le lezioni.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

The course uses concepts, notions, and methods of the basic courses in physics and mechanics as well as elements of structural analysis (displacements, strains, stresses, equilibrium).

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali In order to successfully avail themselves of the course, the students should know the basic concepts of mathematical analysis and basic notions about theory of structures usually learned in engineering courses. However, all necessary notions are briefly reminded during lessons.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Generalità sul progetto e l'analisi di una struttura aeronautica in presenza di carichi dinamici. Compiti dell’analisi strutturale, con particolare riferimento all’analisi dinamica. Origine e classificazione dei carichi dinamici su una struttura aerospaziale. Livelli dei carichi dinamici. Elementi di meccanica delle vibrazioni. Modelli dinamici discreti e continui per componenti strutturali aerospaziali (sistemi a uno o più gdl: aste, travi, piastre). Funzioni di risposta in frequenza (FRF). Soluzioni esatte ed approssimate del problema dinamico. Metodo degli elementi finiti. Analisi modale. Effetti dello smorzamento. Analisi della risposta: coordinate fisiche e coordinate modali. Risposta in transitorio. Tecniche di riduzione modale. Analisi dinamica sperimentale. Introduzione all’analisi dei segnali discreti. Componentistica standard per prove di laboratorio.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Lezioni in aula Tecniche basate sul metodo dei residui pesati e tecniche variazionali per la modellizzazione del comportamento strutturale. Funzionali canonici dell’elasticità "single field" e "multifield". Richiami di base sul metodo degli elementi finiti. Scelta delle grandezze nodali e delle funzioni di forma. Criteri alla base della scelta delle funzioni di forma. Requisità di conformità. Caratteristiche di convergenza. Formule di quadratura di Gauss. Ordine di integrazione necessario alla convergenza. Tecniche di integrazione ridotta per il locking. Optimal sampling. Eliminazione termini spurii (15 ore). Sviluppo di elementi di tipo “hybrid” e “mixed”. Tecniche per la soluzione di problemi nonlineari (metodo di Newton-Raphson modificato, metodi path followers). Analisi di stabilità mediante elementi finiti. Discussione degli aspetti salienti - libreria di elementi e procedure numeriche implementate - dei codici commerciali agli elementi finiti maggiormente diffusi e comparate le loro prestazioni, spettro d'uso, accuratezza e costi di elaborazione e applicazioni pratiche. (20 ore). Criteri di resistenza e tecniche per valutare l’accumulo progressivo del danneggiamento. Tecniche avanzate di modellizzazione del processo di danneggiamento e di rottura dei materiali compositi. Il problema delle interfacce nei materiali compositi multistrato e sandwich. Tecniche per lo studio della delaminazione (10 ore). Esercitazioni Sono svolte esercitazioni numeriche, simulazioni e progetti mediante lavori di gruppo, che concernono i seguenti argomenti. Applicazioni del Metodo dei Residui Pesati e del metodo di Raileigh-Ritz al calcolo della freccia di piastre composite descritte con un modello a lamina singola equivalente di tipo higher-order. (3 ore). Valutazione dello stato tensionale e del danneggiamento di strutture in materiale composito con tecniche analitiche e FEM (3 ore). Disamina delle caratteristiche di un codice a elementi finiti home-made basato su un modello zig-zag e applicazione allo studio di pannelli compositi. Studio di un codice FEM basato su elementi mixed per la valutazione delle sollecitazioni e per l’analisi della risposta thermo-elasto-dinamica di strutture di velivoli. (3 ore). Applicazione di un codice FEM commerciale per la modellizzazione a elementi finiti di tipici componenti strutturali aerospaziali (6 ore).

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Overview on the design and analysis of aircraft structures in the presence of dynamic loads. Tasks of the structural analysis, with particular reference to the analysis of the dynamic response. Origin and classification of dynamic loads on an aerospace structure. Levels of dynamic loads. Elements of mechanical vibrations. Dynamic models for discrete and continuous structural aerospace components (systems with one or more degrees of freedom: rods, beams, plates). Frequency Response Functions (FRF). Exact and approximate solutions of the dynamic problem. Finite Element Method (FEM). Modal analysis. Effects of damping. Response analysis: physical coordinates and modal coordinates. Transient response. Modal reduction techniques. Experimental dynamic analysis. Introduction to the analysis of discrete signals. Standard components for laboratory tests.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Classroom lessons Techniques based on the weighted residual method. Single fields and multifield canonical functionals of elasticity (5 hours). Recall of basic concepts of Finite element method.Choice of nodal quantities and of interpolation functions. Criteria for choosing these functions. Requirements. Convergence characteristics. Gaussian quadrature formulas. Order of integration required for convergence. Reduced integration for shear locking. Optimal sampling. Identification of spurious components (15 hours). Hybrid and mixed elements. Techniques for solving nonlinear problems (Newton-Raphson method, path-followers methods). Stability analysis by finite elements. Discussion of the peculiar aspects- library of elements, numerical procedures- implemented into widespread commercial finite element codes and comparison among their performance, field of validity, accuracy and computational costs, practical examples (20 hours). Stress based criteria and techniques for evaluating the progressive accumulation of damage. Advanced techniques for modeling the onset and growth of the damage and the failure process of composites. The problem of the interfaces of multilayered and sandwich composite materials. Techniques for studying delamination (10 hours). Exercises Numerical exercises, simulations and projects are carried out through group work, which concern the following topics. Application of the Weighted Residual Method and of the Raileigh-Ritz method to computation of deflection of composites plates using a higher-order equivalent single-layer model (3 hours). Evaluation of stress field and damage accumulated by composite structures in service through analytic and FEM tecniques (3 hours). Discussion of an in-home made finite element code based on a zig-zag model and application to the study of composite panels. Application of a FEM model based on mixed elements to thermo-elasto-dynamic analysis of aerospace structures (3 hours). Application of a commercial finite element code to modeling of typical aerospace structural components (6 hours).

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Durante il corso, gli studenti potranno sperimentare l’applicazione di concetti e metodologie grazie a esercitazioni in aula, presso il laboratorio informatico e presso il LAQ AERMEC “Sistemi Strutturali Aeromeccanici” del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale. Esercitazioni in aula (3 h). Esercitazioni numeriche su argomenti illustrati a lezione (trasformate di Laplace e Fourier, analisi dinamica di semplici componenti strutturali con metodi approssimati). Esercitazioni presso il laboratorio informatico (6 h). Esercitazioni numeriche con uso di MATLAB (analisi dinamica di sistemi discreti e continui). Realizzazione del modello agli elementi finiti di una tipica struttura aerospaziale per analisi dinamica. Esercitazioni presso il laboratorio sperimentale LAQ AERMEC (6 h). Componentistica per prove di laboratorio. Valutazione FRF di una trave. Analisi modale sperimentale (estrazione parametri modali) su tipica struttura aerospaziale e correlazione con i risultati dell’analisi FEM.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Lezioni 45 ore; esercitazioni in aula svolte usando il computer dell'insegnante e le attrezzatura video dell'aula 15 ore

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

During the course, the application of concepts and methodologies will be experienced by students through classroom exercises, activities in the computer lab and at the LAQ-AERMEC "Aeromechanical Structural Systems" laboratory, Department of Mechanical and Aerospace Engineering. Classroom exercises (3 h). Numerical examples on topics presented during lessons (Laplace and Fourier transform, approximate dynamic analysis of simple structural components). Computer lab (6 h). Numerical exercises with MATLAB (Dynamic analysis of discrete and continuous systems). FE model for the dynamic analysis of a typical aerospace structure. Experimental laboratory tests at LAQ-AERMEC (6 h). Components for laboratory tests. Evaluation of FRF of a beam. Experimental modal analysis (modal identification) of typical aerospace structures and correlation with the results of the FEM analysis. Dynamics of a typical structural component.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali Lessons 45 hours; classroom exercises carried out using teacher's computer and classroom video equipment 15 hours

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Testo di riferimento per il corso: Appunti forniti dal docente. Per approfondimenti e ulteriore consultazione: - M.F. Rubinstein, Structural Systems: Statics, Dynamics and Stability. Prentice-Hall, Inc., 1970. - D.J.Ewins, Modal Testing: Theory and Practice. John Wiley & Sons Inc., 1995. - M.I.Friswell, J.E.Mottershead, Finite Element Model Updating in Structural Dynamics. Kluwer Academic Publishers, 1996.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali a) Testo di riferimento per il corso: appunti forniti dal docente attraverso il portale della didattica. Tale materiale costituisce quanto necessario e suffuciente per seguire profiquamente lezioni ed esercitazioni e per superare con profitto l'esame. b) Per approfondimenti ed consultazione i seguenti libri (reperibili nelle biblioteche del Politecnico o forniti dal docente): Zienkiewicz O.M., Taylor R.L. "The Finite Element Method", McGraw-Hill, 1994. Reddy J.N. "Mechanics of Laminated Composite Plates: Theory and Analysis", CRC Press,2004. Reddy J.N. "Applied Functional Analysis and Variational Methods in Engineering", McGraw-Hill, 1987. Hoa S.V., Feng W. "Hybrid Finite Element Method for Stress Analysis of Laminated Composites", Kluwer Academic Publ., 1998. Tenek L.T., Argyris J., Finite Element Analysis for Composite Structures. Kluwer Academic Publ., 1998. MIL HDBK 17

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Lecture notes provided by the teacher. Reference books: - M.F. Rubinstein, Structural Systems: Statics, Dynamics and Stability. Prentice-Hall, Inc., 1970. - D.J.Ewins, Modal Testing: Theory and Practice. John Wiley & Sons Inc., 1995. - M.I.Friswell, J.E.Mottershead, Finite Element Model Updating in Structural Dynamics. Kluwer Academic Publishers, 1996.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

a) Reference text for the course: notes provided by the teacher through the teaching portal. This material constitutes what is necessary and sufficient to follow lessons and exercises profusely and to pass the exam with profit. b) For further information and consultation the following books (available in the Polytechnic or provided by the teacher): Zienkiewicz O.M., Taylor R.L. "The Finite Element Method", McGraw-Hill, 1994. Reddy J.N. "Mechanics of Laminated Composite Plates: Theory and Analysis", CRC Press,2004. Reddy J.N. "Applied Functional Analysis and Variational Methods in Engineering", McGraw-Hill, 1987. Hoa S.V., Feng W. "Hybrid Finite Element Method for Stress Analysis of Laminated Composites", Kluwer Academic Publ., 1998. Tenek L.T., Argyris J., Finite Element Analysis for Composite Structures. Kluwer Academic Publ., 1998. MIL HDBK 17

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Modalità di esame: prova orale obbligatoria;

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modalità di esame: prova orale obbligatoria;

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Si andrà a verificare la conoscenza adeguata degli aspetti metodologici-operativi insegnati durante il corso e la capacità di interpretare e descrivere i problemi di dinamica strutturale. L'esame consta di una prova orale (voto max 30/30). Il colloquio orale dura circa 30 min e di norma consiste in due domande poste a ogni candidato, di cui una di norma finalizzata ad approfondire gli argomenti sviluppati nelle esercitazioni. All'orale il candidato deve presentare le relazioni scritte di tutte le esercitazioni, sia numeriche che sperimentali. Se il candidato opta per l’approfondimento di un argomento scelto da una lista fornita dal docente e prepara un report scritto su tale attività, una domanda verterà sull’argomento oggetto di approfondimento.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali L’esame conta di un colloquio durante il quale vengono posti agli studenti quesiti allo scopo di verificare se abbiano effettivamente acquisito le conoscenze e le abilità previste, e cioè la capacità di prevedere il comportamento delle strutture scegliendo le tecniche più opportune per la soluzione dei problemi posti. L'esame consiste in tre domande proposte dal docente, una delle quali verterà sulle esercitazioni numeriche, e/o nella discussione di argomenti affrontati durante il corso che sono stati scelti e approfonditi dagli studenti. Viene indicato all’inizio del colloquio il punteggio attribuito ad ogni domanda e le domande a cui lo studente deve rispondere per conseguire la sufficienza. Non è richiesto di presentare relazioni o elaborati svolti in precedenza, ma gli studenti possono liberamente scegliere di discutere progetti individuali o do gruppo da loro svolti nell'ambito delle esercitazioni.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

Exam: compulsory oral exam;

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Exam: compulsory oral exam;

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Dinamica delle strutture aerospaziali)

The knowledge on the methodologies and tools acquired during the course (and the ability to use this knowledge to face the problems related to the dynamic analysis and control of aerospace structures) will be verified. The exam consists of an oral exam (maxiumum score 30/30). The oral exam lasts about 30 minutes and usually consists of two questions asked to each candidate, one of which aimed to deepen the arguments developed in the written reports about the classroom, numerical and experimental experiences. The candidate must present at the oral exam written reports about activities and exercises developed during the course. If the applicant write a paper selected from a list provided by the teacher, a question of the oral arguments will focus on that.

Dinamica delle strutture aerospaziali/Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali (Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali)

Modellazione numerica e tecniche di simulazione di strutture aerospaziali The exam consists of an interview during which questions are proposed by the teacher in order to verify if students have actually acquired the knowledge and the foreseen abilities (that is the ability to foresee the behavior of the structures choosing the most appropriate techniques for the solution of the problems). The exam consists of three questions proposed by the teacher, one of which will focus on numerical exercises, and / or on the discussion of topics covered during the course that have been chosen and studied by the students. At the beginning of the interview, the score given to each question and the questions the student must answer in order to achieve sufficiency is indicated. It is not required to present previously completed reports or papers, but students can freely choose to discuss individual or group projects carried out by them in the exercise area.



© Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi, 24 - 10129 Torino, ITALY
m@il