Nell’ambito dell’orientamento "aeromeccanica e sistemi" si ritiene opportuno far acquisire allo studente i rudimenti di alcuni strumenti essenziali per il progetto; in particolare, l’insegnamento si focalizzerà i) sulla metodologia generale per la costruzione di modelli numerici (principalmente non lineari a parametri concentrati) di alcuni sistemi aerospaziali, ii) sulle tecniche di simulazione e iii) sull’uso della sperimentazione ai fini dell’affinamento e della validazione dei due precedenti punti. L’impiego di questi tre strumenti, nelle diverse fasi dello sviluppo di un sistema, verrà anzitutto inquadrato nel flusso globale della progettazione sistemistica, evidenziando la successione logica secondo cui il nuovo prodotto, a valle della definizione concettuale, viene prima modellato, poi simulato e, in parallelo, trasformato in prototipo essendo, in ultimo, sperimentato.
Per i tre strumenti si forniranno esempi di applicazione principalmente inerenti ai dispositivi di azionamento dei comandi di volo primari dei velivoli moderni; contestualmente si vedranno, ovviamente a livello di concetto, le tipologie, le entità di risorse e le conoscenze richieste per applicare detti strumenti. Infine, verranno dati cenni relativi alle tecniche di integrazione dei modelli in relazione alle metodologie di ottimizzazione multidisciplinare del progetto (MSDO – Multidisciplinary System Design Optimization) e di progetto integrato simultaneo (SE – Simultaneous Engineering).
Il processo di apprendimento si baserà su esercitazioni applicative e di laboratorio in cui si richiederà un attivo coinvolgimento degli studenti, per rendere consapevoli delle potenzialità, ma anche dei limiti, degli strumenti a loro presentati, acuendo in tal modo le loro capacità critiche.

Capacità di comprendere, nell’ambito dell’attività di progettazione sistemistica, il ruolo e l’importanza della modellazione, della simulazione e della sperimentazione. Capacità di definire modelli non lineari di parti di un sistema. Capacità di integrare singoli modelli, di livello gerarchico inferiore, a costituire un modello multidisciplinare più complesso. Capacità di interfacciarsi con un semplice banco sperimentale ed effettuare prove di laboratorio.

Conoscenze di base di fisica, meccanica, oleodinamica, elettrotecnica e di controlli automatici;

Parte generale
Cenni alla teoria dei modelli.
Processo di progettazione sistemistica e ruolo in esso ricoperto dagli strumenti costituiti da modellazione, simulazione e sperimentazione; definizione dei requisiti di progetto e dei requisiti di prova di un sistema.
Concetti generali sulla modellazione dinamica, sulla conseguente simulazione e sui suoi impieghi.
Concezione generale di un programma di simulazione dinamica a partire dai modelli multidisciplinari dei sottosistemi; comparazione e discussione ragionata di modelli di sistemi basati su differenti approcci. Valutazione comparata fra modelli dinamici, a differente grado di complessità e tipologia, riferiti a un medesimo componente o sistema. Applicazioni significative nei sistemi dinamici aerospaziali.
Strumenti informatici e tecniche per la simulazione. Analisi delle problematiche numeriche nella simulazione.
Cenni alle tecniche di progettazione multidisciplinare integrata: concurrent e simultaneous engineering.
Cenni alle tecniche di ottimizzazione multisciplinare.
Concetti generali sull’attività sperimentale e varie tipologie di prove. Calibrazione e valutazione. Definizione di un piano degli esperimenti. Strumenti per la sperimentazione e loro integrazione.
Parte applicativa
Analisi dei comandi di volo, con particolare riferimento ai comandi primari di tipologia fly-by-wire con attuatori EHA e EMA.
Componenti loro modellazione; 1) componenti meccanici: motori in corrente continua, pompe idrauliche a cilindrata variabile, viti a circolazione di sfere/rulli, attuatori idraulici, superfici mobili del velivolo, 2) organi di regolazione e controllo: servovalvole oleodinaniche, sensori, logiche per il controllo della posizione. Per ciascun componente sono sviluppati più modelli, con livello di complessità e ordine crescenti, comprendenti anche le principali non linearità (giochi, attrito secco, isteresi, saturazioni, ecc..).
Modello dinamico elettro-fluido-meccanico complessivo servovalvola in formulazione di quarto e terzo ordine; possibili semplificazioni di primo ordine e istantanea, pregi e difetti comparati. Gruppo di attuazione ipersostentatori: layout a motore idraulico + trasmissione a barre di torsione fail-safe + attuatori finali e freni.
Modello dinamico elettro-fluido-meccanico completo di servovalvola + martinetto per servoposizione: formulazioni di ordine 6 e 5; semplificazioni di ordine 3 e 2, pregi e difetti comparati.
Servovalvole elettroidrauliche a due stadi: cassetto come secondo stadio; pilotaggi di primo stadio, tipi, flapper-nozzle, jet-pipe, jet-deflector. Principio di funzionamento jet-pipe e analogie con altri tipi, descrizione di tipico comportamento dinamico nell'interazione tra i due stadi, considerazioni su tempistiche tipiche e conseguenti adottabili ipotesi semplificative.
Integrazione dei succitati modelli in un sistema di azionamento completo.
Analisi parametrica del comportamento dei modelli tramite uso della simulazione. Definizione di cifre di merito per valutare il raggiungimento dei requisiti di progetto.
Definizione di un piano di prove sperimentali da implementare su banco sperimentale.
Simulazione di logiche di diagnostica, di gestione del guasto e di tolleranza al guasto.
Impostazione di un semplice caso di ottimizzazione multidisciplinare su un caso riguardante i comandi di volo di un velivolo.

Elaborazione di modelli, comprensivi delle non linearità, di servomeccanismi tipici dei comandi di volo di un moderno velivolo.
Creazione e soluzione, in laboratorio informatico, di modelli di simulazione relativi al comportamento dinamico di sistemi di bordo con sperimentazione "virtuale" dei fenomeni. Per la costruzione dei modelli verranno utilizzati alcuni strumenti informatici disponibili in laboratorio informatico.
Esercitazioni sperimentali su un banco didattico rappresentativo di un comando di volo primario, del tipo "fly-by-wire", con studio delle leggi di controllo e acquisizione dati.

Testi di riferimento per il corso:
a) Dispense fornite a cura del docente.
Per approfondimenti e ulteriore consultazione:
a) Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, "System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems", 4th Edition Wiley, 2006.
b) MIL-STD-810G Department of Defense Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests.
c) Garret N. Vanderplaats, "Numerical Optimization Techniques for Engineering Design", ISBN 0-944956-01-7, 3rd Edition, Vanderplaats Research & Development Inc., 2001.

L’esame, orale, verterà su tutti gli argomenti del corso e, in particolare, sulla esposizione delle relazioni delle esercitazioni. La presentazione in sede d’esame delle relazioni di tutte le esercitazioni, in copia personale, è condizione necessaria per accedere all’esame stesso; parte della valutazione sarà basata sulla corretta comprensione del significato e sulla chiarezza e l’ordine di dette relazioni.