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SARA MANTOVANI
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Progettazione del telaio
Ingegneria del veicolo (Offerta formativa 2023)
Obiettivi formativi
Il corso intende fornire una visione meccanica e ingegneristica del progetto di un telaio automobilistico, mediante l’analisi delle principali missioni omologative e di delibera virtuale. Il corso fornisce inoltre i primi strumenti per la modellazione analitica di problemi grazie all’ausilio del manipolatore algebrico e la modellazione numerica mediante calcoli agli elementi finiti.
Prerequisiti
Il corso richiede una conoscenza dettagliata dei concetti fondanti la meccanica dei solidi e di meccanica applicata, il calcolo strutturale in teoria della trave e il dimensionamento ed il disegno di organi di macchine ai fini della determinazione del loro stato tensionale e deformativo.
Programma del corso
Richiami di teoria delle travi nello spazio.
Definizione ed applicazione del teorema di Castigliano per la risoluzione di problemi isostatici e iperstatici.
Travi a sezione sottile posti in torsione: investigazione warping ed effetto Vlasov.
Il manipolatore algebrico Maxima e le sue applicazioni al calcolo strutturale:
- valutazione stato deformativo e tensionale in strutture trabeiformi semplificate
- definizione ed implementazione metodo di quadratura gaussiana.
(2 CFU)
Storia e nomenclatura delle principali architetture di telai automobilistici.
Delibera virtuale per missioni lineari: rigidezze globali e locali, NVH
Delibera virtuale per missioni non lineari: criteri omologativi e customer rating
Cenni di calcolo per la modellazione di giunzioni comunemente presenti un telaio automobilistico: saldature, incollaggi e connessioni filettate.
Introduzione modelli cinematici per l’imposizione di relazioni di vincolamento e di distribuzione di carichi, e.g. servo link, RBE2, RBE3.
(2 CFU)
Teoria delle piastre sottili.
Materiali compositi: teoria, formule di primo dimensionamento, modellazione numerica e test sperimentali per componenti telaio in ottica contenimento della massa. Analisi delle principali tecnologie produttive.
Metodo degli elementi finiti applicato all'analisi strutturale di corpi in parete sottile.
Estensione della teoria delle piastre alla teoria della laminazione relativa ai materiali compositi.
(1,5 CFU)
Introduzione al calcolo strutturale mediante elementi finiti: elementi a 2 nodi, triangolare a 3 nodi, a 4 nodi isoparametrico ed elemento esaedrico.
Determinazione funzioni di forma e della matrice di rigidezza per gli elementi finiti sopramenzionati.
Determinazione campo deformativo e tensionale per gli elementi sopracitati.
Assemblaggio e vincolamento della matrice di rigidezza globale propria di un sistema discretizzato.
Fenomeni peculiari della modellazione: convergenza mesh, singularity ratio, shear locking e hourglass.
(2 CFU)
Analisi dinamica di strutture: definizione matrice di massa, analisi modale e risposta in frequenza.
Cenni teorici del fenomeno di instabilità a carico di punta.
Implementazione di un modello agli elementi finiti in un telaio di formula SAE ai fini della delibera virtuale delle rigidezze globali, investigazione risposta modale e in frequenza.
Definizione dei parametri di progetto per il dimensionamento e la verifica numerica di un assorbitore d’urto anteriore per formula SAE.
(1,5 CFU)
La scansione dei contenuti per CFU è da intendersi come indicativa e può subire variazioni durante il corso.
Metodi didattici
Il corso si svolge in presenza e viene erogato in lingua italiana.
I metodi didattici comprendono:
- lezioni frontali;
- esercitazioni pratiche tra coppie di studenti presso i laboratori informatici del DIEF.
La frequenza è facoltativa, ma fortemente suggerita.
Testi di riferimento
In concomitanza dell’inizio di ogni lezione, sul portale Microsoft Teams relativo all’insegnamento in oggetto saranno rese disponibili (nel rispetto dei diritti d’autore):
i. le slide in formato pdf utilizzate per le lezioni frontali e le esercitazioni di laboratorio
ii. raccolte di esercizi svolti da impiegarsi per l’approfondimento e lo studio
- Megson, T.H.G., Aircraft structures for engineering students, 2012
- Lorenzo Morello, Lorenzo Rosti Rossini, Giuseppe Pia, Andrea Tonoli, The Automotive Body, Volume I–Components, 2011, Springer Ed.
- Giancarlo Genta, Lorenzo Morello, The Automotive Chassis: Volume 1: Components Design, 2008
- Giancarlo Genta, Lorenzo Morello, The Automotive Chassis: Volume 2: System Design, 2016
- Michael Costin, David Phipps, Racing and sports car chassis design, 1967
- Luigi Piano, La sicurezza passiva degli autoveicoli. Criteri di Progettazione e sperimentazione, 2009 Hoepli Editore.
- Vince Adams, Abram Askenazi, Building better Products with Finite Element Analysis. 1999, OnWord Press.
- Cook, R. D. (2007). Concepts and applications of finite element analysis. John wiley & sons.
- Irons, B., & Shrive, N. (1983). Finite element primer. JOHN WILEY & SONS, INC., 605 THIRD AVE., NEW YORK, NY 10158, USA, 1983, 150.
Verifica dell'apprendimento
Esame consta di una prova scritta e di un orale facoltativo.
La prova scritta è strutturata in due parti:
1) prova pratica al calcolatore incentrata sulla soluzione di problemi metodi numerici (durata: 60 minuti), durante la quale viene richiesto allo studente di:
a) completare due casi di caricamento applicati ad un modello agli elementi finiti (MSC.Marc/Mentat 2021 o versioni precedenti), indicando alcuni risultati esplicitamente richiesti e commentando in forma scritta le scelte di modellazione impiegate;
b) compilare un foglio di algebra simbolica per computer (maxima CAS) per la soluzione di problemi strutturali e numerici visti nel corso delle lezioni, indicando alcuni risultati richiesti e commentando in forma scritta le scelte di calcolo intraprese.
2) La seconda parte della prova scritta invece accerterà la conoscenza di aspetti teorici e/o di piccoli esercizi di semplice risoluzione, trattati durante il corso. Per far ciò, vengono sottoposti allo studente tre quesiti da risolvere (durata: 60 minuti)
Ai fini della valutazione della prova scritta, l’esito è compreso nel range tra l'insufficienza e i 30 trentesimi. La commissione si riserva di valutare insufficiente la prova in presenza di errori anche isolati, ma ritenuti di particolare gravità.
Esame orale (facoltativo): potranno accedere all’orale coloro i quali abbiano superato la prova scritta con esito positivo (≥18).
Alla prova orale il voto dello scritto verrà messo totalmente in discussione della misura in cui, l’esito potrà essere migliorato, rimanere inalterato oppure potrà assumere una connotazione negativa. Verranno richiesti tre quesiti di difficoltà crescente volti all'accertamento delle conoscenze maturate su tutti gli argomenti sia numerici, sia teorici svolti nel corso. (Durata indicativa 2 ore).
Il docente valuta le capacità operative del candidato rispetto ai problemi proposti, la sua conoscenza delle tecniche di modellazione e soluzione impiegate, ed infine la sua capacità di confrontarsi sugli argomenti e sui contenuti del corso. Il voto finale rifletterà eventuali lacune di preparazione emerse dal colloquio, o la loro assenza.
Le prove potrebbero essere svolte in presenza o a distanza a seconda dell'evoluzione della situazione COVID19. Le prove si svolgeranno sotto la supervisione del docente e dei suoi collaboratori. Sia alla prova scritta sia alla prova orale, non è consentita la consultazione di alcun tipo di materiale.
Risultati attesi
Risultati attesi impiegando i descrittori di Dublino
(1) Conoscenza e capacità di comprensione
Conoscere e comprendere le principali metodologie di simulazione strutturale applicate ai telai automobilistici, i loro punti di forza ed i limiti e le approssimazioni ad esse connesse.
(2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Capacità di applicare le metodologie di simulazione strutturale grazie alla conoscenza e comprensione, del problema stesso, della nomenclatura, delle strategie semplificative da adottare e di come impostare l'analisi strutturale numerica e/o analitica nel modo più appropriato per una buona numerosità di casi specifici.
(3) Autonomia di giudizio
Sviluppo di una elevata autonomia di giudizio sui risultati ottenuti, grazie alla costante ed approfondita analisi critica dei risultati numerici, basata sul confronto con modelli analitici e sulla corretta interpretazione fisico-meccanica del problema.
(4) Capacità di apprendimento
L’insegnamento fornisce le basi per ulteriori approfondimenti su temi di progettazione meccanica analitica ed inoltre assistita dal calcolatore per la delibera virtuale di telai automobilistici, oltre che per potere seguire nel futuro, con un buon grado di autonomia, l’evoluzione delle metodologie oggetto di questo corso.