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Costruzione di macchine
14ALPNC
A.A. 2022/23
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettrica - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 45 |
| Esercitazioni in aula | 15 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Raffa Francesco Antonino | Professore Ordinario | IIND-03/A | 45 | 15 | 0 | 0 | 22 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-IND/14 | 6 | C - Affini o integrative | Attività formative affini o integrative |
|---|
2022/23
Obiettivo dell'insegnamento è di trasmettere agli studenti le conoscenze teoriche e applicative riguardanti il calcolo e la progettazione di componenti meccanici di interesse nell'ambito dell'ingegneria elettrica quali gli alberi rotanti e i dischi di turbina. Dal punto di vista del calcolo si utilizzano metodi analitici e matriciali (soprattutto gli elementi finiti per la loro generalità di applicazione a vari ambiti ingegneristici). In ogni fase del corso si dà particolare importanza alla padronanza del linguaggio tecnico caratteristico della progettazione meccanica, anche in vista dell'interazione dell'ingegnere elettrico con ambienti professionali compositi.
The course aims at giving the students both theoretical and applied knowledge of the design of mechanical components relevant to electrical applications such as rotating shafts and turbine disks. For computational purposes one resorts to analytical and matrix methods (specifically finite elements, due to their wide range of applications in many fields of engineering). At each stage of the course the mastering of the technical language typical of mechanical design is emphasized, with a view to the interaction of the electrical engineer with various technical environments.
Le conoscenze che gli studenti devono acquisire da questo insegnamento consistono nell'approfondimento di alcuni argomenti caratteristici della progettazione dei componenti meccanici, in particolare: lo stato delle tensioni e delle deformazioni dei solidi assialsimmetrici per l'applicazione al caso dei dischi di turbina, la dinamica dei sistemi a molti gradi di libertà e degli alberi rotanti, i fondamenti del metodo agli elementi finiti. La generalità della trattazione di alcuni argomenti, soprattutto gli aspetti metodologici degli elementi finiti e la dinamica delle macchine, permette l'estensione di tali conoscenze ad ambiti ingegneristici diversi da quelli considerati nel corso.
Le abilità conseguite nell'ambito di questo insegnamento riguardano il linguaggio della progettazione meccanica nella trattazione di sistemi elettromeccanici mediante un approccio interdisciplinare e la familiarità con le problematiche della modellazione e del calcolo mediante simulazione numerica (nella pratica professionale, essenzialmente il metodo degli elementi finiti). Per quanto concerne le abilità comunicative, l'insegnamento contribuisce a conferire al laureato magistrale in ingegneria elettrica l'abilità di interagire proficuamente con ambienti professionali caratterizzati da competenze tecniche e scientifiche diverse da quelle tipicamente elettriche.
The knowledge and understanding capabilities the students must acquire in this course are meant to improve their interdisciplinary background with reference to subjects characterizing the design of mechanical components, such as stress and strain in three-dimensional and axisymmetric elastic bodies, vibrations of discrete systems, rotordynamics and finite elements. The analysis of some of the course topics, mainly finite elements and machine dynamics, is general enough for it to be extended various fields of engineering science.
The capabilities are related to the language of mechanical design in the framework of electromechanical systems through an interdisciplinary approach, as well as the familiarity with the numerical simulation (finite elements in the actual professional practice). As for the communication skills, the course contributes to give the electrical engineers the capability to interact proficiently with technical environments characterized by different skills, e.g., mechanical engineering, improving the effectiveness of a mixed professional team.
Sono propedeutici i contenuti degli insegnamenti di Scienza delle costruzioni (o Fondamenti di meccanica strutturale) e di Meccanica delle macchine del Corso di Laurea in Ingegneria elettrica del Politecnico di Torino. In particolare, sono ritenute già acquisite le conoscenze relative allo stato delle tensioni e delle deformazioni dei solidi elastici con speciale riferimento al solido di Saint-Venant (teoria delle travi) e alle oscillazioni libere e forzate dei sistemi a un grado di libertà (oscillatori armonici). Sono richieste le seguenti specifiche abilità: analisi della resistenza statica di strutture formate da sistemi semplici di travi (tensioni principali, ipotesi di rottura, calcoli di verifica e di dimensionamento) e determinazione della risposta libera e forzata di sistemi meccanici vibranti riconducibili all'oscillatore armonico.
The students are required to be familiar with the topics of the curricular courses of Structural mechanics (or Strength of materials) and Mechanics of machines for Electrical engineering at Turin Politechnic. In particular, it is required that the students are conversant with the stress and strain analysis of elastic bodies, with special reference to the Saint-Venant solid (beam theory) and with the free and forced vibrations of harmonic oscillators. The following abilities are required: stress analysis of simple structures composed of beams (principal stresses, yielding criteria, verification and design analysis), as well as the free and forced vibrations of mechanical systems, which can be reduced to the harmonic oscillator.
L'insegnamento è strutturato nei seguenti moduli:
- Riassunto dei principali risultati di Teoria dell'elasticità [5 h] - Stato 3D delle tensioni e delle deformazioni, equazioni di equilibrio e di compatibilità, tensioni principali, legge di Hooke, stato di tensione piana.
- Stato delle tensioni e delle deformazioni nei solidi assialsimmetrici [13 h] - Dischi rotanti di spessore costante sottoposti a campo centrifugo, gradiente radiale di temperatura, carichi radiali ai bordi. Effetto d'intaglio prodotto da fori nei dischi rotanti. Cenni sugli effetti della plasticità nei dischi rotanti.
- Calcolo matriciale delle strutture e Introduzione agli elementi finiti [20 h] - Equilibrio statico dei sistemi a N gradi di libertà, matrici di rigidezza e di flessibilità, elementi asta e trave, assemblaggio, imposizione dei vincoli, soluzione. Formulazione generale degli elementi finiti mediante il principio dei lavori virtuali. Elementi piani a 3 e a 4 nodi, cenni sugli elementi finiti di ordine superiore. Requisiti di completezza e di compatibilità, criteri per la definizione dei modelli, elementi finiti isoparametrici.
- Oscillazioni libere e forzate dei sistemi a N gradi di libertà [12 h] - Frequenze proprie e modi propri di vibrare, soluzione mediante elementi finiti asta e trave, matrici delle masse secondo gli approcci a parametri concentrati e consistente, risposta forzata mediante analisi modale, l'algoritmo di condensazione statica e dinamica.
- Introduzione alla dinamica dei rotori [10 h] - Risposta libera e forzata del rotore di Jeffcott, velocità critica, autocentramento. Effetti giroscopici, sistemi rotanti a molti gradi di libertà, cenni sulla normativa relativa alle macchine rotanti.
Il programma non subirà variazioni nella eventuale erogazione del corso in modalità da remoto.
Stress and strain in three-dimensional bodies. Differential equations of equilibrium and compatibility, plane stress [5 h]. Stress and strain in axisymmetric bodies, rotating disks of uniform thickness subjected to centrifugal field, radial temperature field, radial loads. Stress concentration due to holes in rotating disks. Summary of plasticity effects in rotating disks [8 h].
Static equilibrium of discrete systems, stiffness and flexibility matrices, stiffness matrices and equivalent load vectors of bar and beam elements, assembling of chain systems, constraints and solution [5 h].
General formulation of the finite elements through the virtual work principle. Three and four-nodes plane elements, summary of higher-order plane elements, definition of finite element models, h-convergence, examples of finite elements models of mechanical components [8 h].
Free and forced of discrete systems. Eigenvalue problem: natural frequencies and modes, solution by bar and beam models, lumped and consistent approaches, condensation algorithms [10 h]. Rotor dynamics: free and forced response of the Jeffcott rotor, critical speed, self-centering. Gyroscopic effects, rotating shafts with many degrees of freedom, summary of the regulations for rotating machines [6 h].
The course topics will not be modified in the event that the course is held online.
L'insegnamento è strutturato in:
- 45 ore di lezione per lo sviluppo delle conoscenze relative al calcolo e progetto di componenti delle macchine, mediante metodi analitici e matriciali, di componenti delle macchine, particolarmente dischi di turbina e alberi rotanti (come descritto in dettaglio nel programma).
- 15 ore di esercitazione per stimolare l’abilità di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi pratici. Saranno proposti e svolti esercizi sui seguenti argomenti: resistenza dei dischi rotanti, mediante integrazione dell'equazione differenziale di governo, resistenza di alberi iperstatici, mediante il calcolo matriciale delle strutture, risposta libera e forzata di alberi oscillanti, e oscillazioni flessionali degli alberi rotanti, mediante modelli con elementi finiti asta e trave.
The course programme includes exercise sessions.
As for Statics, exercise sessions deal with the stress analysis of both rotating disks, through integration of the relevant elasticity equations, and shafts through matrix methods. Both components are investigated for various combinations of mechanical and thermal loads [10 h].
Machine dynamics entails exercises on the free and forced response of oscillating shafts, which are solved resorting to simple beam element models. Such approach is then applied to the lateral oscillations of rotating shafts with particular attention to the phenomenon of critical speeds [8 h].
Bibliografia.
Conoscenze di base di Scienza delle costruzioni:
1) V. I. Feodosev, Resistenza dei materiali, Editori Riuniti, 1977.
Dischi rotanti:
2) G. Genta, Calcolo di resistenza dei dischi rotanti e dei recipienti cilindrici, Levrotto & Bella, 1996.
Calcolo matriciale delle strutture e elementi finiti:
3) G. Belingardi, Il metodo degli elementi finiti nella progettazione meccanica, Levrotto & Bella, 1995.
Meccanica delle vibrazioni:
4) L. Meirovitch, Elements of vibration analysis, McGraw-Hill, 1975.
Dinamica dei rotori:
5) O. Belluzzi, Scienza delle costruzioni, Vol. 4, pp. 413-436, Zanichelli, 1980.
6) A. Vigliani, Lectures on Rotordynamics, CLUT, 2010.
È disponibile materiale didattico predisposto dal docente. Per la parte di teoria, mediante pubblicazione sul portale della didattica, sono messi a disposizione degli studenti appunti su tutti gli argomenti del corso. In dettaglio: riassunto di teoria dell'elasticità, calcolo di resistenza dei dischi rotanti, calcolo matriciale delle strutture e elementi finiti, oscillazioni di sistemi meccanici a N gradi di libertà, introduzione alla dinamica dei rotori. Il materiale relativo alle esercitazioni (testi e soluzioni degli esercizi) è anch'esso disponibile on line.
References.
Review of the basic concepts of Structural mechanics or Strength of materials:
1) V. I. Feodosev, Resistenza dei materiali, Editori Riuniti, 1977.
Rotating disks:
2) G. Genta, Calcolo di resistenza dei dischi rotanti e dei recipienti cilindrici, Levrotto & Bella, 1996.
Structural stress analysis and finite elements:
3) G. Belingardi, Il metodo degli elementi finiti nella progettazione meccanica, Levrotto & Bella, 1995.
Mechanical vibrations:
4) L. Meirovitch, Elements of vibration analysis, McGraw-Hill, 1975.
Rotordynamics:
5) O. Belluzzi, Scienza delle costruzioni, Vol. 4, pp. 413-436, Zanichelli, 1980.
6) A. Vigliani, Lectures on Rotordynamics, CLUT, 2010.
The students will find online notes written by the instructor concerning theory of elasticity, stress analysis of axisymmetric solids, finite elements and elements of mechanical vibrations. Texts and solutions of the exercises are also available.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
Exam: Written test;
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I risultati di apprendimento sottoposti a verifica mediante l'esame sono:
1) Abilità di calcolo nell’uso di metodi analitici e matriciali nella soluzione di problemi relativi alla resistenza statica (principalmente dei dischi rotanti), alle oscillazioni degli alberi e alla dinamica dei rotori.
2) Capacità di ricavare autonomamente i principali risultati teorici illustrati durante il corso.
L'esame si basa su una prova scritta della durata di due ore divisa in due parti svolte separatamente e in successione. Durante la prova scritta non si potranno consultare testi, dispense e formulari, né utilizzare dispositivi multimediali con accesso al web. La prima parte, durante la quale è ammesso l'uso della calcolatrice, richiede la soluzione di un esercizio articolato su più punti. La seconda parte richiede la risposta aperta a due quesiti di carattere teorico.
L’esame è superato se l’elaborato scritto ottiene un voto da 18/30 a 30/30 (lode inclusa), calcolato come media aritmetica dei voti dell'esercizio e dei quesiti teorici. L’esito della prova scritta sarà comunicato agli studenti mediante un avviso sul portale della didattica.
Gli studenti potranno prendere visione degli elaborati e delle relative valutazioni durante un incontro generale la cui data sarà comunicata mediante avviso sul portale della didattica contestualmente alla pubblicazione dei risultati della prova scritta.
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;
I risultati di apprendimento sottoposti a verifica mediante l'esame sono:
1) Abilità di calcolo nell’uso di metodi analitici e matriciali nella soluzione di problemi relativi alla resistenza statica (principalmente dei dischi rotanti), alle oscillazioni degli alberi e alla dinamica dei rotori.
2) Capacità di ricavare autonomamente i principali risultati teorici illustrati durante il corso.
L'esame si basa su una prova scritta della durata di due ore divisa in due parti svolte separatamente e in successione. Durante la prova scritta non si potranno consultare testi, dispense e formulari, né utilizzare dispositivi multimediali con accesso al web. La prima parte, durante la quale è ammesso l'uso della calcolatrice, richiede la soluzione di un esercizio articolato su più punti. La seconda parte richiede la risposta aperta a due quesiti di carattere teorico.
L’esame è superato se l’elaborato scritto ottiene un voto da 18/30 a 30/30 (lode inclusa), calcolato come media aritmetica dei voti dell'esercizio e dei quesiti teorici. L’esito della prova sarà comunicato agli studenti mediante un avviso sul portale della didattica. Gli studenti potranno prendere visione dell'elaborato e della relativa valutazione durante un incontro generale la cui data verrà fissata di volta in volta. La data dell’incontro sarà comunicata agli studenti mediante avviso sul portale della didattica contestualmente alla pubblicazione dei risultati della prova scritta.
Nella eventuale modalità da remoto, l'esame consisterà in una prova orale svolta mediante uno strumento di videocomunicazione quale Virtual Classroom o altro sistema equivalente e si articolerà in due quesiti di carattere teorico, aventi struttura analoga ai quesiti che vengono proposti negli appelli in presenza, e nello svolgimento in forma simbolica (ossia, non numerica) di uno o più brevi esercizi.
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.