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 3 studenti/studentesse. Il progetto potrà richiedere anche l’applicazione di conoscenze di aree culturali diverse (macchine elettriche, materiali, progettazione funzionale, ecc.) già acquisite in corsi precedenti. Gli argomenti trattati nel corso 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; - Metodologie di calcolo di piastre e gusci; - Fatica a basso numero di cicli (oligociclica, in controllo di deformazione).

In seguito al superamento dell'insegnamento, 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.

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.

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 simmetrica: calcolo delle caratteristiche geometriche del dente. Calcolo di resistenza delle dentature: verifica a flessione e alla massima pressione specifica; verifica al grippaggio. 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. Meccanica della frattura lineare elastica (MFLE) 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 ad ampiezza variabile. Propagazione del difetto in presenza di carichi random; spettri di carico. 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. 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.

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.

Possibili testi addizionali di approfondimento: - C. Rosso, F. Bruzzone, F. Ciliberti, Ruote Dentate - Progettazione e costruzione, libreriauniversitaria.it Edizioni. - 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.

Slides; Dispense; Esercizi; Esercizi risolti; Esercitazioni di laboratorio; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di simulazione; Strumenti di auto-valutazione;

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

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group project;

... L’esame è volto ad accertare la conoscenza degli argomenti elencati nel programma del corso e la capacità di applicare la teoria e i suoi metodi alla soluzione di esercizi. La valutazione dell’esame consta di: una valutazione del progetto, una prova scritta e una prova orale. Elaborato progettuale in gruppo: l’elaborato progettuale in gruppo riguarda il progetto di un riduttore di velocità (ad assi paralleli oppure coassiale oppure pendolare). Verrà data una traccia mediante un catalogo di riduttori industriali e durante le esercitazioni i docenti forniranno le tracce per eseguire progressivamente la progettazione del riduttore. Per la partecipazione all’esame è necessario caricare sul portale della didattica la relazione di progetto entro il termine stabilito indicato sul portale della didattica alla prima lezione del corso. Il progetto sarà valutato, dai docenti del corso, da 18 a 30 punti (coloro che hanno consegnato la relazione negli anni precedenti avranno riconvertito il voto in 30esimi). Il voto della relazione di progetto farà media con il voto delle altre due prove scritta ed orale. Prova scritta: è obbligatoria la prenotazione all’esame. La prova scritta consiste di 2 esercizi e 12 domande a risposta multipla. Gli esercizi verteranno sugli argomenti illustrati durante le esercitazioni, con risposte parziali di tipo numerico. Saranno considerate corrette le risposte all’interno di una tolleranza del 5% della risposta giusta. Le domande a risposta multipla verteranno sugli argomenti illustrati a lezione. Non è prevista penalizzazione nel caso di risposta errata. Tempo a disposizione: 2 ore La prova scritta si intende superata se si raggiunge la sufficienza in ciascuno degli esercizi e se si risponde correttamente ad almeno la metà delle domande di teoria. La prova scritta è valutata con punteggio da 18 a 30. Prova orale: Si accede all’orale con valutazione di almeno 18 della prova scritta. La prova orale è prevalentemente rivolta ad accertare un’adeguata conoscenza della teoria spiegata nel semestre. La prova orale potrà includere la discussione dello scritto, l’impostazione di un esercizio, domande di teoria e domande sulla relazione di progetto. L’esame si intende superato se la valutazione complessiva, pari alla media delle tre prove, è uguale o superiore a 18/30.

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.