PROGETTAZIONE MECCANICA AVANZATA CON METODI SPERIMENTALI E NUMERICI

Il corso si articola in una sezione da 9 CFU (prof. G. Mirone) ed una da 3 CFU (prof. R. Barbagallo).

Conoscenza e comprensione:

Verrà effettuata una formazione approfondita sulla modellazione a elementi finiti (FEM), per consentire agli studenti di prevedere la risposta strutturale nei contesti di elastoplasticità, dinamica, integrità strutturale e tolleranza al danno.

Per raggiungere tale obiettivo, verranno fornite nozioni di meccanica dei materiali e caratterizzazione sperimentale con un approccio pragmatico, rispettivamente affrontando i modelli più recenti di comportamento dei materiali (plasticità statica/dinamica, danno/fallimento del materiale) e le procedure di laboratorio più recenti per la calibrazione di tali modelli.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:

L'obiettivo del corso è permettere agli studenti di eseguire la progettazione meccanica avanzata e la valutazione dell'integrità di strutture e componenti, secondo le procedure più moderne.

Gli studenti assisteranno a esperimenti di laboratorio per prove statiche e dinamiche (macchine di prova motorizzate e idrauliche, attrezzature Hopkinson bar, acquisizione dei dati e analisi delle immagini); successivamente utilizzeranno i dati sperimentali per calibrare i modelli di materiale selezionati, che poi saranno implementati sia nelle analisi FEM tramite subroutine personalizzate, sia nella fase di post-elaborazione dei risultati FEM tramite semplici calcoli su fogli di calcolo.

Il modulo del corso da 3 C.F.U.sarà dedicato alla tecnica Digital Image Correlation (DIC) per la valutazione degli spostamenti e delle deformazioni a pieno campo ed ai Metodi termici per la valutazione della fatica. Ciò formerà gli studenti nella preparazione dei provini, nell'acquisizione e nell'elaborazione di immagini, con l'obiettivo di determinare le deformazioni locali e le distanze caratteristiche di provini/componenti sottoposti a prove sperimentali, nonché il loro limite di fatica attraverso acquisizioni termografiche. 

Le competenze acquisite sono spendibili nell’ambito della gestione della qualità in organizzazioni dei settori civile, industriale e dei servizi, in accordo con gli obiettivi 9,11 dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo sviluppo sostenibile.

Modalità di svolgimento:

Lezioni analisi dati sperimentali ed esercitazioni in aula e in laboratorio. Qualora l’insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Prerequisiti:

Indispensabile il conseguimento dei frequenze e/o esami degli insegnamenti precedenti secondo le regole del corso di studi.

Frequenza:

Obbligatoria.

Contenuti della sezione da 9 CFU (Prof. G. Mirone):

Elastoplastic response of materials 

• C1) Introduction to plasticity - Normality rule and consistency condition – hardening – associate plasticity and yield surface – von Mises plasticity –Path dependence of plastic straining – Pressure and Lode dependent yield surfaces – Experimental determination of the hardening curve – Necking – Experimental characterization – Engineering, True and Flow curves – MLR and MVB methods for round and rectangular section specimens - Practical notions for Finite Elements (FEM) modeling;
• L1) Laboratory experiments for characterization and flow curve validation: (tensile tests of round/flat smooth/notched specimens);
• E1) - Finite elements implementation of tensile tests and comparison of results with experimental data for FEM validation;

2) Damage mechanics and ductile failure 

• C2) Triaxiality factor and Lode angle – Rice-Tracey introductory model - Phenomenological damage models (Bao-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki etc.) –Problems of mesh dependence for failure propagation in finite elements;
• E2) Finite elements design of simple components / special specimens inculding damage models via postprocessing and/or via user subroutines;
• L2) Lab. Testing of components designed in E2), verificarion of the design predictive accuracy;

3) Dynamics and High Strain Rate effects 

• C3) Strain rate effect and models of dynamic hardening – Plastic work dissipation and self heating in dynamics – Experimental procedures for high strain rate testing – Elastic waves propagation in rods – Split Hopkinson Tensile Bar equipment (SHTB);
• L3) Lab. Experiments with Split Hopkinson Tensile Bar (SHTB) - evaluation of dynamic stress-strain curves – calibration of simple models for dynamic hardening;
• E3) Finite Elements implementation of dynamic SHTB tests;

Testi di riferimento:

Dispense del corso.

Verifica dell'apprendimento:

Esame orale con domande su teoria e semplici applicazioni numeriche di modelli / formule. 

La verifica dell’apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere. A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici ed alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l’integrazione Attiva e Partecipata — Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

Lezioni ed esercitazioni svolte sia in aula sia in laboratorio, analisi e postprocessing di dati sperimentali

Come da regolamento del Corso di Laurea

Obbligatoria

Contenuti della sezione da 9 CFU del corso (C = lezione, L = laboratorio, E = esercitazione).

1. Risposta elastoplastica dei materiali (45 h, prof. G. Mirone)

C1) Introduzione alla plasticità - Regola di normalità e condizione di coerenza – indurimento – plasticità associata e superficie di fluire – plasticità di von Mises – Dipendenza dal percorso della deformazione plastica – Superfici di fluire dipendenti dalla pressione e dal parametro di Lode – Determinazione sperimentale della curva di indurimento – Collassamento – Caratterizzazione sperimentale – Curve di ingegneria, vere e di fluire – Metodi MLR e MVB per campioni a sezione rotonda e rettangolare - Nozioni pratiche per la modellazione agli Elementi Finiti (FEM);

L1) Esperimenti di laboratorio per la caratterizzazione e la validazione delle curve di fluire: (prove di trazione su campioni rotondi/piatti lisci/notati);

E1) - Implementazione agli elementi finiti delle prove di trazione e confronto dei risultati con i dati sperimentali per la validazione FEM.

2. Meccanica dei danni e rottura duttile (25 h, prof. G. Mirone)

C2) Fattore di triazialità e angolo di Lode – Modello introduttivo di Rice-Tracey – Modelli fenomenologici dei danni (Bao-Wierzbicki, Xue-Wierzbicki, ecc.) – Problemi di dipendenza dalla rete per la propagazione dei danni negli elementi finiti;

E2) Progettazione agli elementi finiti di componenti semplici / campioni speciali, inclusi modelli di danno tramite post-elaborazione e/o tramite subroutine utente;

L2) Test di laboratorio di componenti progettati in E2), verifica della precisione predittiva del progetto;

3. Dinamica e effetti ad alta velocità di deformazione (20 h, prof. G. Mirone)

C3) Effetto della velocità di deformazione e modelli di indurimento dinamico – Dissipazione del lavoro plastico e riscaldamento autoindotto in dinamica – Procedure sperimentali per test a alta velocità di deformazione – Propagazione delle onde elastiche nelle barre – Attrezzatura per il Test di Trazione a Barre di Hopkinson (SHTB);

L3) Esperimenti di laboratorio con la Barra di Trazione di Hopkinson (SHTB) – Valutazione delle curve di stress-deformazione dinamiche – Calibrazione di modelli semplici per l’indurimento dinamico;

E3) Implementazione agli elementi finiti dei test dinamici SHTB;

[1] Dispensa del corso ed articoli selezionati

Oral exam is the standard form of evaluation. Exercitations and laboratory activity will be carried out for better understanding the concepts deliverd by the course and for acquiring familiarity with them before the oral exam.

domande sugli argomenti trattati a lezione e brevi applicazioni quantitative