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Costruzione di macchine

12ALPNE

A.A. 2021/22

2021/22

Costruzione di macchine

Scopo dell’insegnamento è fornire le conoscenze teoriche e i criteri di base per il progetto e il calcolo di organi delle macchine, sviluppare le abilità necessarie per la progettazione di componenti e sistemi meccanici, interpretando in modo critico i risultati ottenuti, e preparare relazioni tecniche sul lavoro svolto. A tale scopo è prevista la realizzazione di un progetto di un semplice gruppo meccanico, da svolgere in gruppi composti da un numero massimo di tre studenti/studentesse. Il progetto potrà richiedere anche l’applicazione di conoscenze di aree culturali diverse (macchine elettriche, materiali, progettazione funzionale, etc.) già acquisite in corsi precedenti. Gli argomenti trattati dall'insegnamento sono: - Calcolo delle sollecitazioni di corpi a contatto in un punto o lungo una linea (teoria di Hertz); - Progettazione delle ruote dentate; - Meccanica della frattura; - Fatica a basso numero di cicli (oligociclica, in controllo di deformazione); - Metodologie di calcolo di piastre e gusci.

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Aim of the subject is to provide theoretical methodologies and basic criteria for machine design, to develop skills needed to design groups and mechanical systems, critically interpreting the obtained results, and to prepare technical reports on the developed work. For this purpose, a project of a simple mechanical group is planned, to be carried out in groups consisting of a maximum number of three students. The project may also require the application of knowledge of different cultural areas (electrical machines, materials, functional design, etc.) already acquired in previous subjects. The topics covered are: - Hertz theory for contact stress; - Design of gears; - Fracture mechanics; - Low cycle fatighe; - Design methods for plates and shells.

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In seguito al superamento del corso, lo/la studente/studentessa avrà appreso i fondamenti della progettazione strutturale meccanica e dei metodi (analitici, numerici e sperimentali) più comunemente utilizzati. Sarà inoltre in grado di applicare le metodologie studiate per l’analisi del comportamento delle macchine e dei relativi componenti, utilizzandole nel supporto alla progettazione. In particolare, lo/la studente/studentessa avrà acquisito le conoscenze e le abilità che consentono di: - Definire le principali ipotesi di un progetto meccanico; - Identificare i parametri che governano un dato progetto; - Identificare un modello matematico che meglio rappresenti, in funzione degli obiettivi di progetto e delle reali condizioni di funzionamento, il componente o sistema meccanico, tenendo conto dei requisiti funzionali, dei materiali, dei carichi e delle altre condizioni al contorno; - Definire la forma e le dimensioni dei componenti della macchina e il loro assemblaggio, calcolandone la durata: - Individuare i punti critici del progetto strutturale, secondo i possibili meccanismi di cedimento, valutare le incertezze e applicare i coefficienti di sicurezza appropriati, valutare se le sollecitazioni e/o le deformazioni siano ammissibili; - Sapere utilizzare norme, codici e regolamenti; - Essere in grado di analizzare e interpretare criticamente i risultati; - Essere in grado di elaborare e presentare una relazione di calcolo progettuale; - Acquisire capacità di effettuare scelte autonome e, nello stesso tempo, capacità di lavoro in gruppo.

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Knowledge and understanding of the collapse mechanisms due to defects, high temperatures and cyclic strain Knowledge of methods and design criteria for plates and shells. Knowledge of the main results of the Hertz theory for the evaluation of stresses in bodies in contact at one point or along a line. Knowledge of design methods of gears. Ability to make assessments about the risk of defects and their propagation. Ability to assess the strength of materials at high temperatures. Ability to perform strain-controlled fatigue evaluation. Ability to perform the calculation of stresses in plates and shells. Ability to apply the theory of Hertz to design and verification. Ability to design and verify normal and corrected gears. Ability to design integrating knowledge from different areas. Ability to make autonomous choices. Ability to work in groups.

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Le conoscenze pregresse richieste per una proficua frequentazione del corso sono: - Capacità di eseguire l’analisi cinematica di semplici meccanismi, di eseguire il calcolo delle sollecitazioni in semplici componenti meccanici e di effettuare verifiche statiche e a fatica in controllo di tensione; - Conoscenza delle caratteristiche dei materiali e dei principali trattamenti termici, - Capacità di eseguire il dimensionamento e la verifica di elementi meccanici e collegamenti (in particolare assi e alberi, collegamenti albero-mozzo, cuscinetti volventi, molle, collegamenti filettati e saldati); - Conoscenza delle norme di base del disegno tecnico, capacità di utilizzare sistemi CAD; - Conoscenza delle caratteristiche di funzionamento di macchine a fluido e motori elettrici.

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Ability to use CAD systems. Ability to perform kinematic analysis of simple mechanisms. Ability to perform static assessments in simple mechanical components; knowledge of material characteristics and the main heat treatments. Ability to perform fatigue assessments of components subject to constant and variable amplitude cycling stresses Ability to perform the design and verification of mechanical elements and connections (axes and shafts, axisymmetric solids, hub-shaft connections, bearings, springs, threaded fasteners and bolts, welded joints). Knowledge of operating characteristics of fluid machinery and electric motors.

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Problema del contatto localizzato tra corpi solidi (teoria di Hertz): ipotesi; risultati della teoria; area di contatto; pressione di contatto; tensioni ideali. Casi particolari: sfera-sfera, cilindro-cilindro. Contatto sfera-pista per cuscinetto a sfere; formula di Stribeck. Calcolo a durata dei cuscinetti: coefficiente di carico statico e dinamico; carico equivalente statico e dinamico. Ruote dentate: riepilogo della geometria; proporzionamento normale e unificato; dentiera normalizzata, ruota normalizzata; segmento di ingranamento; rapporto di ingranamento. Calcolo dello strisciamento specifico; ingranamento dentiera-ruota. Correzione delle ruote dentate; correzione simmetriche: calcolo delle caratteristiche geometriche del dente. Calcolo di resistenza delle dentature: verifica a flessione e alla massima pressione specifica; verifica al grippaggio secondo Almen. Meccanica della frattura lineare elastica nella progettazione meccanica: fattore di intensificazione delle tensioni; tenacità alla frattura. Teoria di Griffith. Equazioni di Westergaard. Esempi di calcolo del fattore di intensificazione delle tensioni; stato di deformazione all’apice del difetto; calcolo del raggio plastico; validità della MFLE. Tenacità alla frattura; prove sperimentali. Caratterizzazione dei difetti. Calcolo di progetto e verifica statica. Calcolo della propagazione del difetto: legge di Paris; carico ad ampiezza costante. Effetto della tensione media. Propagazione del difetto con carico ad ampiezza variabile. Propagazione del difetto in presenza di carichi random; spettri di carico. Fatica a basso numero di cicli. Prove in controllo di deformazione; relazione monotona tensione-deformazione; cicli di isteresi; equazione tensione-deformazione ciclica; strain hardening e strain softening. Relazione deformazione-durata; modello a quattro parametri. Effetto della tensione media: equazione di Morrow e di Smith-Watson-Topper. Metodi di predizione della durata; danneggiamento. Fatica dei materiali e stato di tensione triassiale. Piastre e gusci. Sistemi di riferimento; ipotesi di base; stato di tensione e deformazione; relazioni tensione-deformazione; carichi per unità di lunghezza; equilibrio delle forze; equazioni risolutive. Teoria delle piastre assialsimmetriche; sistema di riferimento; stato di tensione e deformazione; carichi distribuiti e concentrati; piastre con e senza foro; esempi di soluzione analitica. Teoria dei gusci assialsimmetrici in campo membranale; verifica e progetto.

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Hertz contact theory Hertz theory and applications; hypothesis; results of the theory: contact area; contact pressure; equivalent stresses, Tresca and Von Mises criteria. Special contact cases sphere-sphere, cylinder-cylinder. angular contact bearings; Stribeck formula. Rolling bearings: static loading, fatigue, bearing life. Gears Summary of motion transmission, geometry and nomenclature, tooth shape. Gear manufacturing. Spur and helical gears with parallel axes: kinematics, geometry, forces. Cutting techniques and profile displacement. Loading of gear, stresses in gears, bending stresses, surface stresses, fatigue, Hertz contact, wear, scuffing. Fracture mechanics Machine design and fracture mechanics, Energy principle, Griffith theory, stress fields at crack tip, Westergaard equations, fracture modes, Strain state at crack tip, plastic zone, Linear elastic fracture mechanics. Fracture toughness, Standard tests, Fracture criteria, Design methods. Crack propagation rate, Paris law, Crack propagation rate under variable amplitude loading, Retardation models, Random loads. Fatigue Fatigue life prediction methods, Stress life vs. Strain life, Low cycle fatigue, strain controlled tests, Stress-strain behaviour, cyclic stress-strain equation, Hysteresis loop equation, strain hardening e strain softening Strain-Life Relationship , Four parameter strain-life equation, Mean Stress effects, Morrow Equation, Smith-Watson-Topper Equation, Linear damage rule (Miner-Palmgren). Fatigue life under tri-axial loading, Gough and Pollard hypothesis, Sines method. Plates and shell Theory of plates, reference systems, stress and strain state, stress - strain relationship, load equilibrium, solution equation. Axisymmetrical plates, reference system, stress and strain state, uniform and concentrated loads, analytical solution. Shells of Revolution with axis-symmetrical Loads - Membrane theory.

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Le 80 ore complessive dell’insegnamento sono equamente condivise tra lezioni teoriche (40 ore) ed esercitazioni/laboratorio di progettazione (40 ore), al fine di raggiungere un equilibrio tra conoscenze e competenze. Generalmente le lezioni su un argomento saranno seguite da esercitazioni specifiche nelle quali agli/alle studenti/studentesse sarà richiesto di applicare a problemi reali le conoscenze acquisite a lezione. Durante il laboratorio di progettazione sarà sviluppato il progetto di un semplice gruppo meccanico, i cui componenti e il relativo assemblaggio saranno analizzati durante tutto il corso. La partecipazione alle lezioni e alle esercitazioni/laboratorio di progettazione è fortemente consigliata, essendo fondamentale per ottenere i risultati di apprendimento attesi, oltre che per sviluppare correttamente il progetto proposto.

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The total amount of hours (80) is equally subdivided between lectures (40 hours) and tutorials (40 hours), in order to reach a good equilibrium among knowledge and competences. Generally tutorials will follow the lectures on the same subject. The students have to execute, in small groups, a project of a mechanical system; the project may also require the application of knowledge of different areas (electrical machinery, materials, functional design, etc.).

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Appunti dell’insegnamento. Testi addizionali di approfondimento: - R.C. Juvinall, K.M. Marshek, Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine, ETS Pisa. - J.E. Shugley, R.G. Budynas, J.K. Nisbett, Progetto e costruzione di macchine, Edizione italiana a cura di Dario Amodio e Gianni Santucci, McGraw-Hill Education, III ed. - J.A. Collins, Failure of materials in mechanical design, Ed. J. Wiley. - A. Gugliotta, Introduzione alla meccanica della frattura lineare elastica, Levrotto&Bella. - H.O. Fuchs, R.I. Stephens, Metal fatigue in engineering, Wiley. - D. Broek, Elementary engineering fracture mechanics, Martinus Nijhoff Publishers, IV ed. - S.T. Rolfe, J.M. Barsom, Fracture and fatigue control in structures, Prentice-Hall. - S. Timoshenko, S. Woinowsky-Krieger, Theory of paltes and shells, McGraw-Hill.

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Subject notes. R.C. Juvinall, K.M. Marshek, Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine, Edizioni ETS Pisa J. E. Shigley, Mechanical engineering design, Mc Graw-Hill International Student ed. III ed. J. A. Collins, Failure of materials in mechanical design, J. Wiley. A. Gugliotta, Introduzione alla meccanica della frattura lineare elastica, Levrotto&Bella H.O. Fuchs, R.I. Stephens, Metal fatigue in engineering, Wiley D. Broek, Elementary engineering fracture mechanics, Martinus Nijhoff Publishers, IV ed. S. T. Rolfe, J. M. Barsom, Fracture and fatigue control in structures, Prentice- Hall S. Timoshenko, S. Woinowsky- Krieger, Theory of plates and shells, McGraw- Hill

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;

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Generalità L’esame ha lo scopo di verificare le competenze indicate nella Sezione “Risultati dell’apprendimento attesi”. L’esame consiste in una prova scritta, che prevede la disponibilità di un formulario specifico eventualmente corredato di diagrammi utili per lo svolgimento, seguita da una prova orale. Per accedere alla prova orale il/la candidato/candidata deve aver superato la prova scritta con almeno una votazione di 18/30. La prova orale deve essere sostenuta nella stessa sessione in cui è stata superata la prova scritta. La firma di frequenza è subordinata alla partecipazione attiva alle esercitazioni e alla presentazione della relazione di progetto. La relazione di progetto deve essere comunque presentata e approvata entro la fine del corso (fine delle lezioni del periodo didattico). Per motivi organizzativi è richiesta la prenotazione all’esame. Prova scritta La prova consiste in due esercizi sugli argomenti illustrati a lezione o durante le esercitazioni. Tempo a disposizione: 2 ore. Si evidenzia che la difficoltà degli esercizi viene tarata in base al tempo disponibile per lo svolgimento della prova. La prova scritta si intende superata se si raggiunge la sufficienza in entrambi gli esercizi. L’esito della prova scritta sarà pubblicato sul portale della didattica. Gli scritti corretti saranno visibili all’inizio della prova orale. Prova orale La prova orale verrà svolta tramite un colloquio individuale sugli argomenti illustrati a lezione e/o durante le esercitazioni. Per la partecipazione alla prova orale è necessario avere superato con esito positivo la prova scritta ed è necessario avere presentato la relazione del progetto di gruppo, che potrà essere oggetto di domande di chiarimento o approfondimento.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam;

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In order to properly assess achievement of the expected learning outcomes, the examination is composed of a written test - during which the educational material can be at disposal of students - and an oral test. In order to access the oral test a minimum score of 18/30 is required. The project report must be submitted and approved within the end of the semester. It is requested to book exam through the web procedure. Written test The test consists of exercises on the topics taught in class. Time: 2 hours. The results of the written test will be posted on the subject site web. Oral test Preliminarily, each student is informed on the reasons for obtained grading. For the oral exam is necessary to submit the project report. Oral examination will be related to subjects developed in the lectures as well as in the tutorials.

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Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale in gruppo;

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Generalità L’esame ha lo scopo di verificare le competenze indicate nella Sezione “Risultati dell’apprendimento attesi”. L’esame consiste in una prova scritta, che prevede la disponibilità di un formulario specifico eventualmente corredato di diagrammi utili per lo svolgimento, seguita da una prova orale. Per accedere alla prova orale il/la candidato/candidata deve aver superato la prova scritta con almeno una votazione di 18/30. La prova orale deve essere sostenuta nella stessa sessione in cui è stata superata la prova scritta. La firma di frequenza è subordinata alla partecipazione attiva alle esercitazioni e alla presentazione della relazione di progetto. La relazione di progetto deve essere comunque presentata e approvata entro la fine del corso (fine delle lezioni del periodo didattico). Per motivi organizzativi è richiesta la prenotazione all’esame. Prova scritta La prova consiste in due esercizi e alcune domande a risposta chiusa sugli argomenti illustrati a lezione o durante le esercitazioni. Tempo a disposizione: 100 minuti. Si evidenzia che la difficoltà degli esercizi e delle domande viene tarata in base al tempo disponibile per lo svolgimento della prova. La prova scritta si intende superata se si raggiunge la sufficienza in ciascuno degli esercizi e nella risposta alle domande a risposta chiusa. L’esito della prova scritta sarà pubblicato sul portale della didattica. Gli scritti corretti saranno visibili all’inizio della prova orale. Prova orale La prova orale verrà svolta tramite un colloquio individuale sugli argomenti illustrati a lezione e/o durante le esercitazioni. Secondo le indicazioni di Ateneo, sarà svolta in modalità da remoto tramite la piattaforma Exam. Per la partecipazione alla prova orale è necessario avere superato con esito positivo la prova scritta ed è necessario avere presentato la relazione del progetto di gruppo, che potrà essere oggetto di domande di chiarimento o approfondimento.

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Exam: Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Group project;

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In order to properly assess achievement of the expected learning outcomes, the examination is composed of a written test - during which a collection of useful formulas and diagrams will be at disposal of students - and an oral test. In order to access the oral test a minimum score of 18/30 is required. The oral test must be take in the same exam session of the written test. The project report must be submitted, approved and uploaded in the website within the end of the lecture period. It is requested to book exam through the web procedure. Written test The test consists of exercises and close answer questions on the topics taught in class. Time: 2 hours in case of exam taken in the traditional classrooms, about 100 minutes in the case of exam taken partially or totally in the remote mode. It is pointed out that the difficulty of the exercises is tuned on the basis of the time available for the written test. The evaluation of the written test is positive if the evaluation of each of the exercises and of the closed answer questions are positive (minimum 18/30) The results of the written test will be posted on the subject site web. The corrected written test will be visible for the students at the beginning of the oral exam. Oral test Preliminarily, each student is informed on the reasons for obtained grading. The oral exam consists of an individual interview on the topics taught in class, both during lectures and tutorials. According to the statement of our Politecnico, it will be either in presence or in remote mode, through the exam platform, or, eventually, in a mix mode. For the oral exam is necessary to have gotten a positive evaluation of the written part and to show the project report complete of the related drawings. The project report could be the subject of questions.

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale in gruppo;

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Generalità L’esame ha lo scopo di verificare le competenze indicate nella Sezione “Risultati dell’apprendimento attesi”. L’esame consiste in una prova scritta, che prevede la disponibilità di un formulario specifico eventualmente corredato di diagrammi utili per lo svolgimento, seguita da una prova orale. Per accedere alla prova orale, il/la candidato/candidata deve aver superato la prova scritta con votazione di almeno 18/30. La prova orale deve essere sostenuta nello stesso appello in cui è stata superata la prova scritta. La firma di frequenza è subordinata alla partecipazione attiva alle esercitazioni e alla presentazione della relazione di progetto. La relazione di progetto deve essere comunque presentata e approvata entro la fine del corso (fine delle lezioni del periodo didattico). Per motivi organizzativi, è richiesta la prenotazione all’esame. Prova scritta La prova consiste in due esercizi e alcune domande a risposta chiusa sugli argomenti illustrati a lezione o durante le esercitazioni. Tempo a disposizione: 100 minuti nel caso di esame svolto preferibilmente in modalità informatizzata anche in aula, al fine di rendere l'esame fruibile in modalità mista. Si evidenzia che la difficoltà degli esercizi e delle domande viene tarata in base al tempo disponibile per lo svolgimento della prova. La prova scritta si intende superata se si raggiunge la sufficienza in ciascuno degli esercizi e nella risposta alle domande a risposta chiusa. L’esito della prova scritta sarà pubblicato sul portale della didattica. Gli scritti corretti saranno visibili all’inizio della prova orale. Prova orale La prova orale verrà svolta tramite un colloquio individuale sugli argomenti illustrati a lezione e/o durante le esercitazioni. Secondo le indicazioni di Ateneo, sarà svolta in presenza ovvero in modalità da remoto tramite la piattaforma Exam, ovvero in modalità mista. Per la partecipazione alla prova orale è necessario avere superato con esito positivo la prova scritta ed è necessario avere presentato la relazione del progetto di gruppo, che potrà essere oggetto di domande di chiarimento o approfondimento.

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Exam: Written test; Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Group project;

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In order to properly assess achievement of the expected learning outcomes, the examination is composed of a written test - during which a collection of useful formulas and diagrams will be at disposal of students - and an oral test. In order to access the oral test a minimum score of 18/30 is required. The oral test must be take in the same exam session of the written test. The project report must be submitted, approved and uploaded in the website within the end of the lecture period. It is requested to book exam through the web procedure. Written test The test consists of exercises and close answer questions on the topics taught in class. Time: 2 hours in case of exam taken in the traditional classrooms, about 100 minutes in the case of exam taken partially or totally in the remote mode. It is pointed out that the difficulty of the exercises is tuned on the basis of the time available for the written test. The evaluation of the written test is positive if the evaluation of each of the exercises and of the closed answer questions are positive (minimum 18/30) The results of the written test will be posted on the subject site web. The corrected written test will be visible for the students at the beginning of the oral exam. Oral test Preliminarily, each student is informed on the reasons for obtained grading. The oral exam consists of an individual interview on the topics taught in class, both during lectures and tutorials. According to the statement of our Politecnico, it will be either in presence or in remote mode, through the exam platform, or, eventually, in a mix mode. For the oral exam is necessary to have gotten a positive evaluation of the written part and to show the project report complete of the related drawings. The project report could be the subject of questions.

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