Progettazione Assistita e Meccanica Sperimentale

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1 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica Lezioni del corso di Progettazione Assistita e Meccanica Sperimentale prof. ing. Riccardo Nobile Introduzione all analisi delle sollecitazioni 1

2 Definizioni Il termine comprende tutti i metodi analitici, numerici e sperimentali che permettono di determinare lo stato tensionale e deformativo dei componenti e delle strutture I metodi sperimentali per l analisi delle sollecitazioni vengono genericamente definiti come «Meccanica Sperimentale» 2

3 Definizioni sfrutta le variazioni delle proprietà fisiche che si determinano nei corpi assoggettati a carichi. A seconda della proprietà fisica sottoposta a misura, la Meccanica Sperimentale permette di risalire agli spostamenti, alle deformazioni o alle tensioni La conoscenza delle relazioni di congruenza e costitutive permette di risalire tramite opportune elaborazioni dalle grandezze misurate a quelle derivate 3

4 Metodi della Meccanica Sperimentale I principali metodi della Meccanica Sperimentale sono i seguenti: estensimetria mediante estensimetri elettrici a resistenza fotoelasticità correlazione digitale delle immagini (DIC) metodi Moiré interferometria olografica metodi speckle metodi basati sull effetto termoelastico sensori a fibra ottica di Bragg Altri metodi (raggi X, vernici fragili, ecc.) 4

5 Metodi della Meccanica Sperimentale I metodi della Meccanica Sperimentale sono generalmente indicati come metodi a pieno campo o puntuali, a seconda se consentono di determinare o meno l intero campo tensionale o deformativo del componente I metodi a pieno campo richiedono generalmente una maggiore esperienza da parte dell operatore che esegue la misura Con le dovute eccezioni, i metodi a pieno campo sono riservati a misure in laboratorio effettuate prevalentemente a scopo di ricerca Le misure puntuali, in particolare quelle con estensimetri elettrici a resistenza, sono le più diffuse in ambito industriale 5

6 Estensimetria L estensimetria si basa sulla misura della variazione di resistenza elettrica di un conduttore soggetto a deformazione Si tratta del metodo di Meccanica Sperimentale più diffuso e affidabile in campo industriale e di ricerca Tutti i trasduttori di forza (celle di carico) e di deformazione (estensometri) si basano su misure estensimetriche 6

7 Estensimetria Le misure sono effettuate utilizzando dei particolare sensori, estensimetri, che vengono applicati sulla superficie della struttura da studiare Il risultato della misura è di tipo puntuale ed è espressa in termini di deformazione Le rosette estensimetriche permettono di determinare l intero campo deformativo 7

8 Fotoelasticità La fotoelasticità si basa sulla proprietà di alcuni materiali di variare l indice di rifrazione quando sono sottoposti ad una tensione Tale proprietà prende il nome di birifrangenza accidentale meccanica Alcuni esempi di materiali birifrangenti: policarbonato vetro 8

9 Fotoelasticità La fotoelasticità è una tecnica a campo intero e il risultato della misura è costituito dalla differenza delle tensioni principali (σ 1 σ 2 ) Osservando il materiale birifrangente sottoposto a carichi attraverso un polariscopio è possibile ottenere due categorie di frange sulla superficie del componente: frange o curve isocromatiche: luogo dei punti in cui la differenza delle tensioni principali è costante frange o curve isocline: luogo dei punti in cui la croce delle tensioni principale ha orientazione costante 9

10 Isocromatiche frange o curve isocromatiche: luogo dei punti in cui la differenza delle tensioni principali è costante 10

11 Isocline frange o curve isocline: luogo dei punti in cui la croce delle tensioni principale ha orientazione costante 11

12 Correlazione digitale delle immagini (DIC) La correlazione digitale delle immagini (DIC) permette di ricavare il campo di spostamento attraverso il confronto digitale di due immagini, la prima relativa al corpo indeformato e la seconda al corpo caricato 12

13 Correlazione digitale delle immagini (DIC) La tecnica richiede che sulla superficie del corpo siano presenti delle irregolarità, introdotte ad esempio nebulizzando la superficie con una vernice Il confronto delle immagini e la relativa elaborazione digitale consente di calcolare lo spostamento delle goccioline di vernice 13

14 Metodi Moiré Si basano sul fenomeno di interferenza tra una griglia solidale al componente ed una griglia di riferimento (effetto Moiré) Il passo delle frange di Moiré fornisce le componenti dello spostamento geometrico interferometrico olografico 14

15 Interferometria olografica L interferometria olografica si basa sui fenomeni di diffrazione e interferenza di due campi luminosi, il primo associato al componente indeformato e il secondo al corpo caricato La precisione della misura è elevatissima ma può essere eseguita solo in laboratorio e sotto stretto controllo L interferometria olografica misura la variazione di cammino ottico tra condizione indeformata e deformata ed è particolarmente sensibile agli spostamenti fuori dal piano 15

16 Interferometria olografica Il setup sperimentale è costituito da una sorgente laser il cui fascio viene suddiviso, in maniera tale che uno si ritrovi immutato sulla lastra e l altro venga modificato dalla riflessione del corpo deformato 16

17 Metodi Speckle Illuminando un corpo con una luce coerente, la diffusione della luce sul corpo conferisce alla superficie illuminata un aspetto granuloso Questa granulosità, denominata Speckle, è dovuta ai fenomeni di interferenza della luce che investe una superficie rugosa 17

18 Metodi Speckle Deformando un corpo, l aspetto granuloso ne risulta modificato Facendo quindi interferire due immagini si ottengono delle frange di interferenza associate al campo di spostamento subito dal corpo 18

19 Metodi basati sull effetto termoelastico La variazione di volume associata alla deformazione di un corpo produce una variazione di temperatura Misurando le variazioni di temperatura si risale allo stato tensionale 19

20 Metodi basati sull effetto termoelastico La variazione di volume associata alla deformazione di un corpo produce una variazione di temperatura Misurando le variazioni di temperatura si risale allo stato tensionale 20

21 Sensori a fibra ottica di Bragg Il sensore a fibra di Bragg si basa sulla realizzazione di una griglia su una fibra ottica. La griglia consiste in una variazione periodica dell indice di rifrazione della fibra ottica Bragg Bragg 21

22 Sensori a fibra ottica di Bragg Quando la fibra ottica viene attraversata da una luce avente una specifica lunghezza d onda λ si generano dei fenomeni di riflessione che permettono di misurare la lunghezza d onda del reticolo di Bragg λ B Se la fibra ottica si deforma, per effetto di carichi o della temperatura, si misura una traslazione della lunghezza d onda λ B Bragg Bragg 22

23 Altri metodi vernici fragili Si basa sull impiego di una speciale vernice che si frattura quando la deformazione supera un valore limite. Vengono esaminate quindi le isostatiche e si risale alle tensioni principali, proporzionali al valore limite di rottura 23

24 Altri metodi diffrattometria a raggi X Si basa sulla misura della distanza interplanare tra i piani cristallini di un materiale d d d