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PORTALE DELLA DIDATTICA

Complementi di macchine e meccanica strutturale

05OJZND

A.A. 2020/21

2020/21

Complementi di macchine e meccanica strutturale (Meccanica strutturale)

Il Corso si articola in due moduli didattici, il primo dei quali tratta i complementi delle Macchine a Fluido, mentre il secondo riguarda i Complementi di Meccanica Strutturale. Per quanto riguarda il modulo di Macchine saranno analizzate le prestazioni delle principali macchine a fluido motrici, turbomacchine e macchine volumetriche, inserite nei relativi impianti sia in condizioni di funzionamento nominale, sia in condizioni di regolazione. Per quanto riguarda il modulo di Meccanica Strutturale saranno analizzate le problematiche di cedimento statico, a fatica e a fatica termo-meccanica dei componenti e sarà presentata la metodologia di studio analitico e secondo normativa dei recipienti in pressione.

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The course is composed of two modules, one relative to Hydraulic and Thermal Machines, the other to the design of the Structural Mechanics. The Hydraulic and Thermal Machines module aims at supplying the complements of the main fluid-flow machines, with specific reference to principles of operation, evaluation of performance and off-design operations of both the single fluid-flow machine and the energy system in which it is inserted. As regards the Structural Mechanics module, it will analysed the problems of static, fatigue and thermo-mechanical fatigue failure of components and will be presented the methodology of analytical study and technical standard rule on pressure vessels.

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Il modulo di Macchine applica con sistematicità i principi della termofluidodinamica e dell’energetica ai sistemi di conversione dell'energia ed ai loro componenti, presentando gli aspetti formativi necessari per consentire allo studente la scelta di una turbomacchina, di un motore alternativo a combustione interna e, più in generale, di un impianto motore, in relazione alla rispettiva utilizzazione. Il corso fornisce le nozioni per affrontare e risolvere autonomamente problemi specifici di regolazione e controllo delle macchine e dei sistemi energetici. Il modulo di Meccanica Strutturale si propone di fornire allo studente le conoscenze per comprendere le modalità di cedimento sotto carico costante o ciclico di componenti strutturali e di poter eseguire i principali calcoli relativi al progetto/verifica strutturale dei recipienti, tenendo conto della indicazioni tecniche date dalla normativa di riferimento.

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Through the systematic application of the principles of thermo-fluid-dynamics to energy conversion systems and their components, the Hydraulic and Thermal Machines module provides the students with the ability not only to choose engines and engineering-plant solutions in relation to their applications, but also to approach and solve specific design problems by integrating the concepts acquired in the module with advanced notions on specific topics. The Structural Mechanics module is designed to provide the student with the knowledge to understand the component failure mode under constant or cyclic loads and to perform the main calculations related to the project/ verification of pressure vessels with respect the technical standard specifications.

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Sono necessarie le conoscenze di base delle Macchine a Fluido, nonchè quelle derivanti dai Corsi che trattano la Termodinamica, la Termocinetica, la Meccanica Applicata alle Macchine, la Meccanica dei Fluidi i Fondamenti di Meccanica Strutturale (in particolare le condizioni di trazione, flessione, torsione e la teoria degli stati di tensione e di deformazione)

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Preliminary knowledge acquired in the courses of Hydraulic and Thermal Machines Fundamentals, Thermodynamics and Thermokinetics, Applied Mechanics, Fluid Mechanics, Fundamentals of Structural Mechanics (in particular tension, bending, torsion loading condition and the theory of the stress and strain states).

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PARTE "COMPLEMENTI DI MACCHINE" Impianti motore con turbina a vapore d’acqua. Andamento della portata in turbina al variare delle condizioni di monte e di valle. Regolazione della portata di vapore mediante laminazione all’ammissione in turbina e mediante parzializzazione. Regolazione degli impianti a vapore a recupero parziale. Impianti motore con turbina a gas: ciclo reale, lavoro utile e rendimento globale. Regolazione degli impianti di turbina a gas monoalbero e bialbero a ciclo aperto. Regolazione degli impianti cogenerativi con iniezione di vapore e post-combustione. Turbine idrauliche motrici: definizioni delle grandezze caratteristiche. Particolarità costruttive e prestazioni delle turbine Pelton, Francis e Kaplan. Motori alternativi a combustione interna: rendimenti e cicli nel caso ideale e reale; espressioni della pressione media effettiva e della potenza. Apparato della distribuzione nei motori a 4 tempi e coefficiente di riempimento. Influenza della dosatura sulle prestazioni dei motori a ciclo Otto. Sovralimentazione con compressore a comando meccanico e con turbina a gas di scarico: confronto delle prestazioni. Dispositivi di alimentazione del combustibile per motori ad accensione comandata e dispositivi per la riduzione delle emissioni. Motori a carica magra. Prestazioni dei motori: caratteristica meccanica, caratteristica di regolazione e cubica di utilizzazione. Combustione nei motori Diesel. Apparati di alimentazione del combustibile nei motori ad accensione per compressione. PARTE "MECCANICA STRUTTURALE" Riepilogo su: Stato 3D delle tensioni e delle deformazioni - Vettore della tensione e tensore della tensione. Tensioni principali e direzioni principali. Invarianti dello stato di tensione. Tensori idrostatico e deviatorico. Cerchi di Mohr. Casi notevoli di sollecitazione. Cinematica delle deformazioni. Tensore delle deformazioni. Deformazioni principali. Relazione tra tensioni e deformazioni: legge di Hooke. Resistenza statica - Prova di trazione di materiali fragili e duttili. Ipotesi di cedimento statico di materiali fragili e duttili. Coefficiente di sicurezza statico. Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche. Scorrimento viscoso a caldo. Intaglio e fattore di concentrazione delle tensioni. Effetto d’intaglio nel cedimento statico. Resistenza a fatica - Fenomenologia e parametri caratteristici. Curva di Wöhler. Limite di fatica. Stima del diagramma SN del materiale. Influenza della tensione media: diagramma di Haigh del materiale. Effetto del tipo di carico, delle dimensioni, della finitura superficiale e della presenza d’intaglio. Limite di fatica del componente. Diagramma di Haigh e curva SN del componente. Coefficiente di sicurezza a fatica. Sollecitazione con cicli di ampiezza variabile. Fatica multiassiale. Comportamento ciclico e termo-meccanico - Prove a fatica oligociclica, isoterma e termo-meccanica. Parametri di caratterizzazione del comportamento a fatica oligociclica e modelli costitutivi corrispondenti. Parametri di caratterizzazione del comportamento a fatica termo-meccanica e modelli costitutivi corrispondenti. Modelli di danneggiamento: classificazione, modelli monoassiali, modelli multiassiali. Previsione della vita residua. Casi studio. Recipienti soggetti a pressione - Impostazione del problema, equazione differenziale di equilibrio e sua soluzione. Determinazione degli stati di tensione prodotti da pressione interna/esterna e da gradiente termico. Caso dei tubi sottili. Piastre assialsimmetriche. Gusci assialsimmetrici. Effetti di bordo. Collegamenti filettati. Disciplina della costruzione e dell’uso dei recipienti soggetti a pressione: direttiva europea Pressure Equipment Directive (PED), norma EN 13445, ASME.

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PART OF “FLUID-FLOW MACHINES II” Power plants with steam turbine. Turbine steam mass-flow rate vs. inlet and condensing pressure. Steam mass flow-rate control by throttling and choking. Cogenerative power plant control with steam turbine. Gas turbine power plant: actual cycle, work and efficiency. Single and double shaft gas turbine control. Combined heat and power plant control through steam injection and afterburner. Hydraulic turbine fundamentals: ideal and actual cycles, break mean effective pressure and power Construction features and performance of Pelton, Francis and Kaplan turbines. Reciprocating internal combustion engine fundamentals. Four stroke engine valve train and volumetric efficiency. Air/fuel ratio influence on Otto engine performance. Supercharging and Turbocharging: comparison of engine performance. Fuel feeding systems for spark ignition engines and emission control system. Lean burn engines. Engine performances: full load and part-load characteristics. Combustion in Diesel engine. Fuel feed systems for compression ignition engines. PART OF “STRUCTURAL MECHANICS” 3D state of stress and strain - stress vector and stress tensor. Principal stresses and principal directions. Invariants of the stress state. Hydrostatic and deviatoric tensors. Mohr circles. Stress typical cases. Kinematics of deformation. Deformation tensor. Principal strains. Relationship between stress and strain: Hooke's law. Static strength - Tensile testing of brittle and ductile materials. Static failure hypothesis for brittle and ductile materials. Static safety factor. Effect of temperature on mechanical properties. Creep. Notch factor and stress concentration factor. Notch effect in the static failure. Fatigue strength - Phenomenology and characteristic parameters. Wöhler curve. Fatigue limit. Estimation of the SN diagram of the material. Influence of the mean stress: Haigh diagram of the material. Effect of load type, size, surface finishing and presence of notch effect. Fatigue strength of the component. Haigh diagram and SN curve of the component. Safety factor in fatigue. Stress with cycles of variable amplitude. Multiaxial fatigue. Cyclic and thermo-mechanical behaviour - Low cycle fatigue, isothermal and thermomechanical tests. Characterization parameters of the low cycle fatigue behaviour and corresponding constitutive models. Parameters characterizing the thermo-mechanical fatigue behaviour and corresponding constitutive models Damage models: classification, uniaxial models, multiaxial models. Prediction of residual life. Bolted joints. Non-destructive testing. Vessels subject to pressure - Problem setting, differential equation of equilibrium and solution. Determination of the stress states produced by internal/external pressure and thermal gradient. Construction solutions for high pressure condition. The case of thin tubes. Axisymmetric plates. Axisymmetric shells. Edge effects. Guidelines for construction and use of pressure equipment: European Pressure Equipment Directive (PED) , EN 13445 standard, ASME.

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Le esercitazioni in aula consistono nello svolgimento di esercizi e problemi pratici in applicazione dei concetti trattati a lezione con lo scopo di migliorarne la comprensione e fornire allo studente un’indicazione sull'ordine di grandezza dei principali parametri. E' prevista un'esercitazione pratica di laboratorio dove verranno misurate le deformazioni di un recipiente in pressione mediante estensimetri.

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The classroom training consists in solving exercises and practical problems by applying the concepts covered in the lessons. The aim of the training is to give the students the order of magnitude of the main parameters and to improve their degree of understanding. A laboratory practical activity will be done. Strains on a pressure vessel will be measured and the comparison with analytical results will be done.

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PARTE "COMPLEMENTI DI MACCHINE" Sono disponibili sul Portale della Didattica dispense relative alla parte teorica, i testi delle esercitazioni teoriche e il materiale didattico necessario per le prove di laboratorio. Testi consigliati per approfondimenti A. Capetti: Motori Termici. Ed. UTET, 1967. A.E. Catania: Complementi di macchine. Ed. Levrotto & Bella, 1979. G. Lozza: Turbine a gas e cicli combinati. Ed Esculapio, 1997. G. Cornetti: Macchine Idrauliche. Ed. Il Capitello, 2006. G. Cornetti – F. Millo: Macchine Termiche. Ed. Il Capitello, 2007. G. Ferrari: Motori a combustione interna. Ed Il Capitello, 2007 A. Dadone: Macchine idrauliche. Ed. CLUT-Torino, 1987 PARTE "MECCANICA STRUTTURALE" Sul Portale della Didattica è disponibile il materiale relativo alla parte teorica e alle esercitazioni. Testi consigliati per approfondimenti: F.A. Raffa, Elementi di meccanica strutturale, CLUT, 2008. L. Goglio, Resistenza dei materiali e dei collegamenti, Levrotto & Bella, 2006. M. Rossetto, Introduzione alla fatica dei materiali e dei componenti, Levrotto & Bella, 2000. F. Cesari, D. Martini, I recipienti in pressione, Pitagora Editrice Bologna, 2012.

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PART OF “FLUID-FLOW MACHINES II” The lectures subjects, text of exercises as well as datasheets and materials for laboratory practice are available on Corse website. Reference textbooks for improving the study A. Capetti: Motori Termici. Ed. UTET, 1967. A.E. Catania: Complementi di macchine. Ed. Levrotto & Bella, 1979. G. Lozza: Turbine a gas e cicli combinati. Ed Esculapio, 1997. G. Cornetti: Macchine Idrauliche. Ed. Il Capitello, 2006. G. Cornetti – F. Millo: Macchine Termiche. Ed. Il Capitello, 2007. G. Ferrari: Motori a combustione interna. Ed Il Capitello, 2007 A. Dadone: Macchine idrauliche. Ed. CLUT-Torino, 1987 PART OF “STRUCTURAL MECHANICS” The didactic material about lecture subjects and exercises is available on the Corse website. Reference textbooks for improving the study: F.A. Raffa, Elementi di meccanica strutturale, CLUT, 2008. L. Goglio, Resistenza dei materiali e dei collegamenti, Levrotto & Bella, 2006. M. Rossetto, Introduzione alla fatica dei materiali e dei componenti, Levrotto & Bella, 2000. F. Cesari, D. Martini, I recipienti in pressione, Pitagora Editrice Bologna, 2012.

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Modalità di esame: Prova orale facoltativa; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

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L’esame consta di una parte scritta e di una parte orale a totale discrezione del docente (vedi sezione Esame orale). Esame scritto (durata complessiva: 2 ore e 50 minuti, divisi equamente tra Macchine e Meccanica Strutturale) Per ciascuna dei due moduli, l’esame scritto è diviso in due parti: • la prima parte consta di 8 domande a scelta multipla. Questa prima parte è relativa agli argomenti di teoria del corso ma saranno anche presenti alcune domande che richiedono la soluzione di brevi esercizi numerici. Per ogni risposta corretta sono assegnati 2 punti, per ogni risposta non data sono assegnati 0 punti, per ogni risposta errata sono assegnati -0.5 punti. Per ogni domanda, esisterà un’unica risposta corretta. Il punteggio massimo della prima parte è 16/15. • la seconda parte consta di 1 o 2 esercizi relativi all'intero programma del corso (voto massimo 15/15). La difficoltà degli esercizi di esame è analoga a quelli proposti durante le esercitazioni svolte in aula. L’esame risulta NON superato se il punteggio della prima parte scritta è strettamente inferiore a 8/15 o il punteggio della seconda parte scritta è strettamente inferiore a 9/15. Il voto finale della parte scritta, espresso in trentesimi, viene ottenuto dalla somma dei due punteggi relativi alle prove scritte, espresse in quindicesimi. Gli studenti potranno utilizzare dei fogli bianchi o riquadrati, l’occorrente per scrivere ed una calcolatrice scientifica non programmabile. Gli studenti potranno inoltre avvalersi di un formulario preparato, a carico dello studente, su due facciate formato A4. Il candidato può ritirarsi dall’esame scritto lasciando le risposte in bianco, una volta che sia trascorso un tempo minimo corrispondente all’80% del tempo complessivo. Esame orale Il docente si riserva di sottoporre, a sua discrezione, gli studenti ad una eventuale prova orale, a prescindere dalla votazione conseguita nella prova scritta. In questo caso, l’esito dell’esame verrà pesato sugli esiti delle prove scritte e della prova orale. Eventuali richieste degli studenti di sostenere l’orale verranno considerate e valutate caso per caso dal docente. La prova orale è obbligatoria per gli studenti che hanno totalizzato un voto medio pari a 17/30 nelle due parti dello scritto.

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Exam: Optional oral exam; Computer-based written test using the PoliTo platform;

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The exam is composed by a written part and by an oral one, the latter being at the sole discretion of the Exam Commission (see the ‘Oral exam’ section below). Written test (overall duration: 2h 50 m, evenly divided between Thermal Machines and Structural Mechanics) For each module, the written test is divided into two parts: - The first part is composed by 8 multiple-choice questions, which are concerned with the theory topics, but a few of them will require the solution of short numerical problems. Each correct answer will score 2 points, each blank (not given) answer will bring 0 points, and each wrong answer will bring -0,5 points. Each question will have only one correct answer. The maximum score for the first part is 16/15. - The second part will require the solution of one exercise, in the form of essay question. The maximum score is 15/15. The exam is not passed if the score from the first written part is strictly lower than 16/30 OR the one from the second part is strictly lower than 15/30. The final mark of the written test (out of 30) is given by the sum of the two parts (out of 15). Candidates can use only a pen, paper sheets and a non-programmable scientific calculator, a formulary on an A4 sheet. The candidate can withdraw from the written test by leaving it blank. In such a case, the exam failure will not be registered. Once the exam will have been submitted and corrected by the commission, the result will be registered either with a positive mark or with a failure. Oral exam The Exam Commission will reserve its right to call a student for an oral test, independently on the outcome from the written exam. In such a case, the final mark will be an average between the three tests. The commission will also consider the requests from the students to sit for the oral. The oral exam is mandatory for students who get a score of 17/30 from the written test.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

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In caso di modalità mista, lo stesso esame verrà svolto contemporaneamente in aula ed in remoto con la modalità descritta in "Criteri, regole e procedure per l'esame in remoto".

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Exam: Written test; Optional oral exam; Computer-based written test using the PoliTo platform;

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In case of blended exam, the same exam will be done at the same time in both presence and remote. The exam criteria will be the same as described in "Assessment and grading criteria criteria for online exam".

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