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Strutture aeronautiche
02CODMT
A.A. 2021/22
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 61 |
| Esercitazioni in aula | 10 |
| Esercitazioni in laboratorio | 9 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Carrera Erasmo - Corso 1 | Professore Ordinario | IIND-01/D | 61 | 10 | 27 | 0 | 5 |
| Gherlone Marco - Corso 2 | Professore Ordinario | IIND-01/D | 48 | 0 | 0 | 0 | 5 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-IND/04 | 8 | B - Caratterizzanti | Ingegneria aerospaziale ed astronautica |
|---|
2021/22
L'obiettivo principale del Corso è quello di mettere l'allievo in grado di comprendere le principali problematiche inerenti la modellizzazione del comportamento statico, dinamico e a stabilità delle strutture aerospaziali nel loro complesso e di loro componenti primari e secondari; sviluppare capacità di eseguire valutazioni preliminari e di dettaglio di stati di tensione e deformazione utilizzando approcci di complessità crescente. Un ulteriore obiettivo è quello di introdurre l’allievo alle sperimentazione in laboratorio per la caratterizzazione dei materiali e su componenti strutturali.
The main objective of this Course is to make the student able to understand the main issues related to the modeling of static behavior and elastic stability of the aircraft structures as a whole and by considering their basic components; develop ability to perform preliminary evaluations and detailed analysis of strain and stress states in typical structural aircraft components by using approaches of increasing complexity. A further goal is to introduce the student to the laboratory experimental tests.
Obiettivo del Corso è sviluppare nell'allievo le basi per poter affrontare in modo critico e autonomo il calcolo di tipici componenti strutturali aerospaziali basato sui metodi analitici classici e sul metodo degli elementi finiti. In particolare, le metodologie fornite consentiranno all'allievo la capacità di effettuare l'analisi del comportamento statico (calcolo dello stato di sollecitazione), dinamico (frequenze di vibrazione) e ai limiti di stabilità (carichi critici e modi di cedimento associati) di elementi monodimensionali, strutture nervate in parete sottile piastre e curve in materiale composito e sandwich, utilizzando tecniche analitiche ed approssimate, in particolare modelli agli elementi finiti utilizzando il codice di calcolo NASTRAN.
Attraverso la partecipazione attiva a esercitazioni di laboratorio sperimentale l'allievo acquisirà anche una sensibilità ai problemi connessi con le attività sperimentali e la conoscenza della componentistica indispensabile a realizzare una prova di laboratorio.
Alla fine del Corso l'allievo dovrebbe essere in grado di saper valutare criticamente la adeguatezza degli strumenti di analisi utilizzati, la bontà dei risultati ottenuti, le problematiche inerenti l'effettuazione di semplici prove di laboratorio.
Aim of the Course is to provide to the student the needed basic knowledge to approach critically and autonomously the analysis of the structural behavior of typical aeronautical structures and substructures by making use of classical analytical methods and finite element method.
In particular, the methodologies provided will allow the student to carry out the analysis of the static behavior (calculation of the states of stress and strain) and the limits of elastic stability (critical loads and associated modes of failure) of one-dimensional elements, stiffened plates and plates made of composite materials and sandwich, typical structural elements of aircraft structures. The analysis will be performed using graphical and tabular data, simple MATLAB codes, and autonomously developed PATRAN/NASTRAN FEM models.The active participation to the experimental laboratory tests will allow the student to acquire also the feeling with the problems arising when designing and performing a laboratory test and the basic knowledge of the needed basic components used to perform a simple material characterization test. At the end of the Course, the student should be able to critically evaluate the adequacy of the analysis tools used, the quality of the results obtained, the issues concerning the design and carrying out of simple experimental tests.
Il corso utilizza concetti, nozioni e metodologie dei corsi di meccanica di base, calcolo differenziale, matriciale e numerico, ed i contenuti dei corsi di calcolo strutturale della laurea triennale.
The course makes reference to concepts, notions and methodologies from the courses of basic mechanics, matrix algebra and numerical computing, aircraft constructions.
- Generalità sul progetto e l'analisi di una struttura aeronautica. Compiti dell'analisi strutturale. - Classificazione dei carichi e prescrizioni regolamentari (determinazione dei carichi; criteri di rigidezza, di robustezza e di elasticità; carichi agenti su una struttura: meccanici e termici; fatica).
- Materiali per applicazioni aerospaziali.
- Problematiche inerenti la schematizzazione a travi di tipici componenti strutturali (ali, impennaggi, fusoliere) - Richiami sulla teoria a guscio rinforzato secondo lo schema trave e non, inclusi sitemi correttivi.
- Teoria della piastra di Kirchhoff, pannelli piani e irrigidite, composit e sandwich.
- Studio della stabilità dell'equilibrio elastico di aste, pannelli piani lisci e nervati e sandwich.
- Introduzione al metodo degli elementi finiti (FEM). Elementi finiti monodimensionali (asta, barra, trave). Elementi finiti bidimensionali membranali e piastra di Kirchhoff. Elementi finiti shell e solidi.
Una parte del corso è dedicata alla descrizione delle principali soluzioni costruttive per le strutture aerospaziali. La parte descrittiva dell’insegnamento ha lo scopo di fornire conoscenze sul progetto di componenti strutturali primari e secondari, ad esempio: longheroni, centine, rivestimenti, castelli motori, piloni, attraversamenti ala-fusoliera, ordinate, chiglie, superfici mobili, aperture, carrelli, lanciatori e rispettive soluzioni in composito.
- A general survey of the design and analysis of aircraft structures. The objectives of aircraft structural analysis. Airworthiness. Load classification (static, dynamic, thermal, etc) and sources. Structural safety ((stiffness criteria, strength criteria, elasticity criteria) and related design criteria (fail-safe, safe-life, damage tolerance).
- Materials for aerospace structures.
- Functions of principal components of aircraft structures: wings, fuselages, empennages (tail units). A general overview of typical solutions. - Wing and fuselage stress analysis by the modified engineering beam theory (idealized thin-walled beams).
- Kirchhoff's plate theory, stiffened and sandwich plates.
- Elastic stability of rods, unstiffened and stiffened, laminated and sandwich flat plates.
- Introduction to the finite element method (FEM). One-dimensional finite elements (rod, bar, beam). Two-dimensional membrane and Kirchhoff’s plate finite elements. 3D finite elements.
I corsi A e B potranno essere svolti in maniera diversa dai docenti titolari degli stessi, conservando gli obbiettivi base della conoscenza delle Strutture Aeronautiche. Lo stesso dicasi per l'accertamento finale che potrà essere orale, scritto o misto.
The courses A and B could be held in different forms. The main objectives of the Aeronautical Structures knowledge will be preserved. The final exams could be written and/or oral.
Il corso è caratterizzato da varie esercitazioni presso il Laboratorio di Calcolo e Sperimentali.
Uso di MATLAB per risoluzione di semplici problemi FEM.
Studio di strutture a semiguscio di complicazione crescente.
Analisi della risposta statica di una trave sandwich.
Carichi critici di pannelli lisci e nervati rettangolari, variamente vincolati e sollecitati.
Uso del codice NASTRAN/PATRAN per analisi di una struttura alare e di elementi di essa.
Prova sperimentali in laboratorio.
The lessons are integrated by classroom exercises, numerical exercises at the Politecnico computer labs, and experimental tests at the LAQ ¿AERMEC-Sistemi strutturali aeromeccanici¿ laboratory (www.aesdo.polito.it) of the Aeronautics and Space Engineering Department.
¿ Introduction to MATLAB (brief summary of useful MATLAB commands and matrix algebra).
¿ Stress analysis of thin-walled beam sections.
¿ Elastostatic analysis with MATLAB of symmetric, cross-ply rectangular plates, simply-supported on all sides and transversely loaded.
¿ Elastostatic analysis of sandwich beams.
¿ Critical loads of unstiffened and stiffened rectangular plates under different loading and boundary conditions.
¿ Hand solution of a static problem with rod finite elements.
¿ Implementation of a MATLAB program for FEM analysis of plane truss (ROD elements) and plane framed structures (BEAM elements).
¿ Use of NASTRAN/PATRAN for the analysis of a wing structure
¿ Traction test on a wing box.
Materiale didattico scaricabile dal sito docente. Traccia delle relazioni di calcolo effettuate durante le esercitazioni numeriche e pratiche. Fotocopie di grafici e tabelle necessari per lo svolgimento delle esercitazioni.
Il materiale didattico suggerito copre gran parte degli argomenti trattati nel Corso, ma non tutti. Durante il Corso viene fornito materiale didattico integrativo.
Per approfondimenti e ulteriore consultazione
T.H.G. Megson, Aircraft Structures, E. Arnold Ed., 1990.
R.M. Jones, Mechanics of Composite Materials, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., 1975.
G.J. Simitses, An Introduction to Elastic Stability of Structures, Printice-Hall, Inc., 1976.
H.D. Curtis, Fundamentals of Aircraft Structural Analysis, WCB/McGraw-Hill, Ltd., 1997.
J.N. Reddy, An Introduction to the Finite Element Method, McGraw-Hill Book Company, Ltd., 1984.
Carrera E., Fondamenti sul calcolo delle strutture a guscio rinforzato per veicoli aerospaziali. Levrotto & Bella, Torino, 2011.
Carrera E., Cinefra M,Petrolo M., Zappino E., Finite Element Analysis of Structures through Uni ed Formulation. John Wiley & Sons,2014.
Carrera E., Fazzolari F.A., Cinefra M., Thermal Stress Analysis of Composite Beams, Plates and Shells: Computational Modeling and Applications, Academic Press, 2016
Di
Lecture notes provided by the teacher. Additional reading books:
T.H.G. Megson, Aircraft Structures, E. Arnold Ed., 1990.
R.M. Jones, Mechanics of Composite Materials, McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., 1975.
G.J. Simitses, An Introduction to Elastic Stability of Structures, Printice-Hall, Inc., 1976.
H.D. Curtis, Fundamentals of Aircraft Structural Analysis, WCB/McGraw-Hill, Ltd., 1997.
J.N. Reddy, An Introduction to the Finite Element Method, McGraw-Hill Book Company, Ltd., 1984.
Carrera E., Fondamenti sul calcolo delle strutture a guscio rinforzato per veicoli aerospaziali. Levrotto & Bella, Torino, 2011.
Carrera E., Cinefra M,Petrolo M., Zappino E., Finite Element Analysis of Structures through Uni ed Formulation. John Wiley & Sons,2014.
Carrera E., Fazzolari F.A., Cinefra M., Thermal Stress Analysis of Composite Beams, Plates and Shells: Computational Modeling and Applications, Academic Press, 2016
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova orale facoltativa; Elaborato grafico individuale;
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Optional oral exam; Individual graphic design project;
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Criteri, regole e procedure per l'esame
Si andrà a verificare la conoscenza adeguata degli aspetti metodologici-operativi insegnati durante il corso e la capacità di interpretare e descrivere i problemi strutturali.
Criteri generali
Per il 'CORSO A' ò'esame consiste in una prova orale che verte su tutti gli argomenti del corso. E' parte dell'esame la discussione degli elaborati sviluppate nelle esercitazioni.
Per il 'CORSO B' l’esame consta solo di una prova scritta (votazione max 30/30) su tutto il programma di lezioni ed esercitazioni (esercitazioni in aula, LAIB e LAQ). La prova scritta è articolata in un certo numero di esercizi. La sua durata può variare da 60 a 120min. Non è consentito l’uso di materiali/testi/dispense/formulari; è consentito l’uso di una calcolatrice non programmabile. Il candidato, entro il termine della prova scritta, può decidere se ritirarsi, oppure farsi valutare. L’esame si considera superato e viene registrato se la votazione ottenuta nella prova scritta è non inferiore a 18/30. L’esito negativo della prova scritta comporta la necessità di risostenere la prova.
Coloro che hanno superato lo scritto con una votazione non inferiore a 21/30, possono chiedere di sostenere, nello stesso appello, anche un colloquio orale. Al colloquio orale il candidato deve portare le relazioni scritte di tutte le esercitazioni (numeriche e sperimentali) e i programmi in Matlab. Il colloquio orale verterà sugli argomenti trattati nel corso e nelle esercitazioni. Il colloquio orale comporta una variazione del voto dello scritto compresa tra -3/30 e +3/30. Al termine del colloquio, viene registrato il voto risultante dalla somma algebrica di quelli ottenuti nella prova scritta e nel colloquio.
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: Written test; Compulsory oral exam; Optional oral exam; Individual graphic design project;
Assessment and grading criteria
Aim of the examination is to verify the adequate knowledge of the methodology and the ability to apply it by the student, in addition to the ability to understand and describe the structural problems treated in the
course.
The examination consists only of a written test (max 30/30) on the whole program of lectures and exercises (exercises in the classroom, LAIB and LAQ).
The written exam is divided into a number of questions. As a rule, the student must give the written answers in no more than 120 min.
During or at the end of the written test, the candidate can decide whether to retire, or be assessed.
The examination has been passed when the written scores is not less than 18/30. The evaluation is recorded.
If the score is lower than 18/30, the student must take again the written test.
Oral examination (optional)
Those who get a score not less than 21/30 in the written test, may also ask for an oral exam, in the same written examination call.
At the oral examination students are requested to bring the written reports of all the exercises (exercises in the classroom, LAIB and LAQ) and programs in Matlab. As for the written test, the oral examination is on the whole program of lectures and exercises (exercises in the classroom, LAIB and LAQ).
The score of the oral examination is in the range -3/30 and +3/30. The final score follows from the algebraic summation of the written and oral scores and is recorded.
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.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Prova orale facoltativa; Elaborato scritto individuale; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Per il corso A l'esame si svolgerà in modalità orale e faranno parte della valutazione gli elaborati prodotti durante il corso.
Per il corso BI n coerenza con i risultati di apprendimento attesi, l’esame è finalizzato alla verifica delle capacità dello studente di analizzare il comportamento statico e ai limiti di stabilità di alcuni tipici componenti strutturali aeronautici con metodologie di diverso livello di complessità.
Il controllo dell'apprendimento avviene mediante una prova scritta:
• della durata massima di 2h 15m e da svolgere secondo la procedura EXAM + RESPONDUS per la modalità remota;
• della durata massima di 2h e da svolgere in aula per la modalità in presenza.
La prova è articolata in:
• uno o più esercizi (a seconda della complessità degli stessi), analoghi a quelli visti durante il corso e relativi all’analisi di travature soggette a carichi statici;
• una o più domande sugli argomenti teorici svolti a lezione.
Exam: Compulsory oral exam; Optional oral exam; Individual essay; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The possibility of remote examination is ensured in the terms established by the Politecnico For the course A the exams will be oral and the reports made during the course would be part of the evaluation.
For the course B consistent with the expected learning outcomes, the exam is aimed at verifying the student's ability to analyze the static and stability behavior of typical aircraft structural components by using approaches of different levels of complexity.
The final evaluation is performed through a 2h 15m (max duration) written test (using the EXAM + RESPONDUS procedure) with:
• one or more exercises (depending on their complexity), similar to those proposed during the course;
• one or more questions on the theoretical topics developed in class.
During the written test, it is not possible to consult any kind of material (books, lecture notes, formularies, etc. are forbidden). Theoretical questions allow obtaining up to a maximum of 10 points on the total available of 30. The exam is passed if at least 18 points are reached. The results of the exam are communicated on the “teaching portal”, together with the date on which the students can view their test and ask for clarifications.
Those who get a score not lower than 21 in the written test, can ask for an oral colloquium in the same written examination call. At the oral examination, students are requested to present the written reports on all the exercises and practical activities performed during the course. The oral examination is on the whole program of lectures and exercises. The score of the oral examination is in the range [-3;+3] and is applied to modify the written test score.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova orale facoltativa; Prova scritta su carta con videosorveglianza dei docenti; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
Se previsto, sarà assicurata la possibilità di sostenere esama in remoto secondo le modalità stabilite dal Politecnico.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Optional oral exam; Paper-based written test with video surveillance of the teaching staff; Computer-based written test using the PoliTo platform;
The possibility of remote examination is ensured in the terms established by the Polytechnic.