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Anno Accademico 2009/10
01IIMFQ
Progettazione aerospaziale assistita dal calcolatore
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Aerospaziale - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Icardi Ugo ORARIO RICEVIMENTO AC ING-IND/04 42 14 0 0 7
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/04 5 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
Obiettivi dell'insegnamento
Corso specialistico dedicato allo studio delle problematiche, delle metodologie e degli strumenti utilizzati dall'industria aerospaziale per il progetto delle strutture primarie dei velivoli e dei veicoli spaziali di nuova generazione. L'obiettivo è fornire una descrizione dettagliata del comportamento delle strutture a guscio, a guscio nervato e integrali, dei modelli computazionali più idonei per prevederlo, delle tecnologie e dei materiali utilizzati per la loro costruzione. Un'attenzione particolare viene riservata ai materiali compositi polimerici, a matrice metallica e sandwich (si studieranno i modelli più idonei a cogliere gli effetti locali in questi materiali, mentre non verranno affrontate l'analisi nonlineare e quella della stabilità, oggetto di un corso specifico), alla valutazione dei carichi, variabili durante la missione, che vengono considerati a progetto e agli effetti dell'ambiente operativo, in particolare i fenomeni termici. Le tematiche affrontate sono collocate nell'ambito del progetto 'damage tolerance', della meccanica della frattura, della fatica, della previsione dei limiti di resistenza, dell'impatto alla base del moderno progetto delle strutture aerospaziali. Vengono formulati i modelli comportamentali più idonei per ciascun tipo di problema affrontato e discussi dettagliatamente i modelli computazionali utilizzati per ottenerne la soluzione. Particolare enfasi viene data al metodo degli elementi finiti, che costituisce lo strumento numerico principale in ambito industriale, base della CAE-Computer Aided Design. Gli allievi matureranno la capacità critica di individuare gli elementi e le procedure più opportuni a seconda del tipo di analisi da effettuare e il grado di accuratezza possibile con tale scelta. Saranno discussi gli aspetti salienti - libreria di elementi e procedure numeriche implementate - dei codici commerciali agli elementi finiti maggiormente diffusi e comparate le loro prestazioni, spettro d'uso, accuratezza e costi di elaborazione.
Competenze attese
Architettura e funzioni degli elementi strutturali. Conoscenza dei modelli strutturali basilari trave e piastra e del loro campo d'applicazione e grado di accuratezza. Capacità di effettuare analisi strutturali mediante modelli semplificati classici. Traduzione nei relativi algoritmi computazionali. Modelli elementari per piastre in materiale composito.
Prerequisiti
Fondamenti del calcolo differenziale ed integrale. Teoria dell'elasticità. Nozioni di base sulla teoria delle piastre e sugli elementi finiti. Tutte le nozioni necessarie sono brevemente richiamate di volta in volta durante le lezioni.
Programma
Tensore di deformazione in coordinate curvilinee. Gusci. Metodi variazionali per la soluzione in forma debole. Richiami sul principio dei lavori virtuali. Principio di Hellinger-Reissner. Metodo dei residui pesati, metodo di Galerkin e Galerkin generalizzato, metodo di Raileigh-Ritz. Introduzione al metodo degli elementi finiti. Sistemi reticolari risolti mediante un approccio agli spostamenti e scomposizione in corpi semplici. Matrici di rigidezza, delle masse e vettore dei carichi nodali equivalenti. Procedure di assemblaggio e di mapping; scelta delle grandezze nodali e delle funzioni di forma. Significato dell'assemblaggio in termini di equilibrio e congruenza. Tecniche di assemblaggio. Larghezza di banda. Problematiche dell'implementazione pratica . Tecniche di soluzione di problemi lineari e di estrazione di autovalori.nei codici agli elementi finiti. Criteri alla base della scelta delle funzioni di forma. Requisità di conformità. Caratteristiche di convergenza delle varie grandezze coinvolte. Funzioni di forma Lagrangiane ed Hermitiane. Vantaggi degli elementi C°.Travi di Eulero-Bernoulli e di Timoshenko e corrispettivi elementi finiti. Il locking e relative interpretazioni fisiche e matematiche. Sviluppo di elementi piastra triangolari a 3 e 6 nodi, quadrangolari a 4 e 8 nodi, elementi solidi a 8 e 20 mediante funzioni di forma di tipo serendipity e coordinate d'area. Elementi assialsimmetrici. Modelli di spostamento per travi e piastre. Il problema delle interfacce nei compositi e dei loro stati tensionali caratteristici. Caratteristiche dei modelli adatti per l'analisi di grandezze globali o locali nei materiali compositi. Calcolo della freccia e delle pulsazioni proprie di piastre composite modellizate con modelli higher-order. Integrazione numerica. Formule di quadratura di Gauss. Ordine di integrazione necessario alla convergenza. Singolarità. Tecniche di integrazione ridotta per il locking. Optimal sampling. Identificazione dei termini spurii. Tecniche di post-processing e di miglioramento prestazioni degli elementi. Studio FEM della delaminazione mediante modello FSDT post-processato. Disamina critica di tecniche di post-processamento attualmente disponibili. Elementi con funzioni gerarchiche. Esempi applicativi. Vantaggi e svantaggi degli elementi non conformi. Idee e nuovi sviluppi sugli elementi non conformi. Sviluppo di elementi di tipo mixed, basati sul principio di Hellinger-Reissner. Vantaggi e svantaggi di questo tipo di elementi. Modelli layerwise per la previsione accurata del comportamento delle strutture multistrato. Sviluppo dei corrispondenti elementi finiti. Applicazione alla previsione delle tensioni nei materiali compositi.
Laboratori e/o esercitazioni
(Eser) Applicazioni del metodo dei residui pesati, del metodo di Galerkin generalizzato e del metodo di Raileigh-Ritz. Soluzione manuale di un sistema reticolare schematizzato agli elementi finiti. Implementazione dell' elemento finito trave di Timoskenko in un programma di calcolo agli elementi finiti home-made. Applicazione allo studio di una trave variamente vincolata e caricata. Assemblaggio manuale di un sistema di travi schematizzato a elementi finiti; partizionamento del sistema risolvente; valutazione delle reazioni vincolari. Applicazione del metodo di Galerkin generalizzato per il calcolo della freccia e delle pulsazioni proprie di piastre composite modellizate con modelli higher-order. Confronto con il metodo di Raileigh-Ritz.
(Lab) Disamina delle caratteristiche di un codice a elementi finiti home-made e applicazione allo studio di pannelli impattati e dell'assorbimento energetico nei compositi. Studio di un codice home made di tipo layerwise basato su elementi mixed per la valutazione delle sollecitazioni di tipi termico. Descrizione delle principali caratteristiche del codice a elementi finiti Nastran e del pre-post processore Patran. Principali comandi e funzioni.Uso di Patran per la modellizzazione a elementi finiti di un componente critico dell'attacco pala-mozzo di un elicottero. Schematizzazione di una tipica struttura alare e soluzione mediante Nastran-Patran. Analisi Nastran di un componente critico in materiale composito della fusoliera di un elicottero. Uso del codice Nastran per il dimensionamento della camera di combustione di un motore orbitale per satellite, di tipo criogenico. Le esercitazioni con Nastran-Patran si svolgono presso il LAIB del DIASP.
Bibliografia
a) Testo di riferimento per il corso:
Appunti forniti dal docente
b) Per approfondimenti ed ulteriore consultazione:
Zienkiewicz O.M., Taylor R.L. "The Finite Element Method", McGraw-Hill, 1994.
c) Reddy J.N. 'Mechanics of Laminated Composite Plates: Theory and Analysis', CRC Press, 1997.
d) Reddy J.N. 'Applied Functional Analysis and Variational Methods in Engineering', McGraw-Hill, 1987.
e) Hoa S.V., Feng W. "Hybrid Finite Element Method for Stress Analysis of Laminated Composites", Kluwer Academic Publ., 1998.
f) Tenek L.T., Argyris J., Finite Element Analysis for Composite Structures. Kluwer Academic Publ., 1998.
g) MIL HDBK 17.
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Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
L'esame è orale. Esso consiste in tre domande, ciascuna della durata di circa un quarto d'ora, che comportano la discussione delle tecniche di soluzione di problemi tipici. Non è ammessa la consultazione di alcun tipo di materiale, ma è permesso l'uso di calcolatrici tascabili per lo svolgimento di brevi calcoli. Durante il corso vengono proposti due esercizi facoltativi, ciascuno della durata di 2 ore, in forma di questionario, con i quali gli studenti possano valutare la loro preparazione, che comunque non comportano alcuna valutazione ai fini dell'esame.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2009/10
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