OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso intende fornire gli elementi di base relativi al comportamento meccanico di alcune classi di materiali innovativi non-convenzionali (quindi non metallici) per sviluppare modelli di calcolo predittivi fondamentali nella progettazione avanzata dei componenti. Fra i requisiti progettuali di tali componenti vi sono ad esempio il raggiungimento di target di resistenza e rigidezza ma anche la resistenza all’urto ed all’impatto o in altre modalità di carico/cedimento. In molti casi lo sviluppo del prodotto, in campo automotive ma anche negli altri settori dell’ingegneria, viene fatto mediante metodi numerici (FEM) per cui saranno presentati alcuni esempi di implementazione dei modelli esaminati in codici di simulazione

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Due parole chiave molto attuali nel mondo dell’industria manufatturiera e dei trasporti sono lightweight design e metal replacement. Due processi fondamentali per portare diminuzione dei costi e delle emissioni di inquinanti ma anche miglioramenti di prestazioni e qualità dei prodotti. Questo è possibile anche e soprattutto grazie all’adozione di nuovi materiali in genere con peso specifico molto minore dei classici metalli.

Ma il processo non si può operare mediante mera sostituzione dei materiali metallici con altri che NON SONO METALLI: non basta semplicemente cambiare il materiale aumentando sezioni e spessori degli stessi componenti (siccome tali materiali innovativi sono sì più leggeri ma anche meno resistenti). Non si comportano allo stesso modo se non grossolanamente in prima approssimazione. Bisogna cambiare modo di pensare i materiali, i loro processi produttivi ed i flussi progettuali. Questi nuovi materiali introducono problematiche nuove che impongono nuovi approcci all’industria e sfide stimolanti ai futuri progettisti che dovranno e potranno sviluppare prodotti con caratteristiche qualitative e prestazionali superiori agli attuali.

Per far questo, occorre una conoscenza approfondita delle nuove problematiche relative a questi materiali strutturali alternativi. Il corso vuole proprio fornire questi elementi di conoscenza di base. Sarà quindi sviluppato in una parte teorica, fondamentale per capire il comportamento di questi materiali soggetti a sollecitazioni meccaniche ed altri eventuali fattori ambientali, per arrivare ad esempi concreti in cui si proverà a studiare alcuni componenti reali applicando le competenze acquisite.

In sintesi il corso si propone gli obiettivi di:

• Fornire elementi di base per la scelta di materiali strutturali alternativi in base all’applicazione: materiali plastici, compositi, elastomeri e materiali cellulari
• Descrivere i modelli del comportamento meccanico tipici delle varie classi di materiali in esame
• Mostrare esempi di applicazioni e i relativi modelli
• Illustrare alcuni modelli numerici implementati in codici di calcolo numerico ad elementi finiti per alcuni materiali di particolare interesse applicativo ingegneristico

MODALITA' DIDATTICHE

Il corso sarà fornito mediante proiezione di slide illustrative degli argomenti del corso affiancate dall’uso della lavagna per ulteriori integrazioni o per svolgere i passaggi matematici un po’ più complessi per dare modo agli studenti di seguirli passo-passo.

Le slide saranno fornite agli studenti insieme a materiale testuale prodotto dal docente ed altri complementi. I testi indicati, presenti in biblioteca, saranno inoltre fondamentale base per la formazione.

Le esercitazioni applicative saranno svolte in laboratorio mediante il codice ANSYS Educational.

PROGRAMMA/CONTENUTO

• Introduzione del corso. Generalità sulle motivazioni per la scelta di materiali alternativi innovativi. I diagrammi di Ashby dei materiali
• Comportamento meccanico dei materiali plastici
  • Definizioni: richiami sulle principali tipologie, caratteristiche ed applicazioni
  • Caratteristiche non-lineari: influenza di tensione e temperatura
  • Criteri di cedimento, effetto della tensione idrostatica
  • Comportamento tempo-variante (creep e stress relaxation)
  • Problematiche di fatica e meccanica della frattura dei materiali plastici (cenni)
• Compositi
  • Definizioni: richiami sulle principali tipologie, caratteristiche ed applicazioni.
  • Richiami di meccanica dei solidi: comportamento isotropo, ortotropo ed anisotropo; casi particolari.
  • Da fibra e matrice alle caratteristiche delle lamine (rule of mxtures), criteri di resistenza
  • Comportamento meccanico delle lamine nel piano: effetto dell’orientazione
  • Dalle lamine al laminato: comportamento membranale e flessionale
• Elastomeri
  • Definizioni: richiami sulle principali tipologie, caratteristiche, applicazioni e tecnologie
  • Richiami di meccanica del continuo: grandi spostamenti e grandi deformazioni
  • Definizione di potenziale elastico, modelli del comportamento meccanico dei materiali iperelastici (Ogden, Mooney-Rivlin, Yeoh…)
  • Prove di caratterizzazione sperimentale
• Materiali cellulari (schiume)
  • Tipologie: schiume polimeriche, metalliche, ceramiche, altri materiali…
  • Tecnologie di fabbricazioni
  • Teoria di Gibson per la previsione del comportamento meccanico delle schiume
  • Prove di caratterizzazione meccanica
  • Comportamento non-lineare tensioni deformazioni: modello di Rusch e successive evoluzioni
  • Modellazione dell’assorbimento energetico
  • Concetto e diagramma dell'efficienza: uso nella scelta di un materiale cellulare per applicazioni.
• Implementazione in codici FEM (ANSYS):
  • Materiali plastici: simulazione problema di creep
  • Compositi: simulazione di un componente in laminato sandwich
  • Elastomeri: simulazione di un componente con i modelli di Ogden, Mooney-Rivlin, Yeoh

TESTI/BIBLIOGRAFIA

• J.A. Collins. Failure of Materials in Mechanical Design. 2nd Edition; Wiley, 1993
• Tim Osswald, Erwin Baur, Sigrid Brinkmann, Karl Oberbach. International Plastics Handbook: The Resource for Plastics Engineers (4th Edition). Hanser-Gardner Publications
• ASM. Engineered Materials Handbook Vol. 2: Engineering Plastics. ASM International, 1988
• Angelo Gennaro. Materie Plastiche: Testing Fisico-meccanici. Guida per la valutazione e la scelta dei materiali. Hoepli, 2008
• Edward Miller (ed.) Plastics Products Design Handbook – Part A. CRC Press, 1983
• D.V. Rosato, D.V. Rosato. Plastics Engineered Products Design. Elsevier Science & Technology Books, 2003
• R.M. Jones. Mechanics of Composite Materials. CRC Press, 2nd edition, 1998
• J.C. Halpin. Primer on Composite Materials Analysis. CRC Press, 1st edition, 1984
• I.M. Daniel, O. Ishai. Engineering Mechanics of Composite Materials. Oxford University Press, 2nd edition, 2005
• S.T. Peters (ed.). Handbook of Composites. Chapman and Hall, 2nd edition, 2010
• US-DoD. Composite Materials Handbook – MIL17, 1999
• R.W. Ogden. Non-Linear Elastic Deformations. ISBN 0-486-69648-0, Dover, 1984
• Basar. Nonlinear continuum mechanics of solids. Springer, 2000
• P. Skacel. Hyperfit software package documentation. Brno UT, 2016
• Lorna J. Gibson, Michael F. Ashby. Cellular Solids: Structure and Properties. Cambridge University Press, 1999
• N.J. Mills. Polymer foams handbook. Elsevier, 2007
• A.J. Landrock. Handbook of plastic foams. Noyes Publications, 1995