Costruzione di Macchine

Transcript

1 Giuseppe Giudice Appunti di Costruzione di Macchine 2014

2 Ringraziamenti Questi appunti sono stati riprodotti per molti anni a cura e spese del Dipartimento di Progettazione e Gestione Industriale (fondi didattici prof. Giudice); poi, scomparsi i fondi medesimi, gli studenti hanno dovuto arrangiarsi. Per questo si ringrazia il Libero Mercato. Ringrazio il sig. Paolo Mazza per l assistenza alla stampa di parecchie edizioni. Ringrazio il Dipartimento di Progettazione Aeronautiche, e in particolare il carissimo prof. Renato Tognaccini, per la stampa di molte edizioni precedenti. Ringrazio gli allievi degli anni scorsi per gli utilissimi suggerimenti. Dove trovarmi Ufficio: (dall interno del Politecnico solo 82471) Telefonino: (meglio lasciare il numero alla tradizione orale, comunque lo uso solo per chiamare, quindi di solito risponde la segreteria...; in compenso richiamo io appena posso.) Posta elettronica: giudice@unina.it Figura 1: L autore sulla spiaggia di Montecito, California, il 18 III i

3 Presentazione Questi appunto nascono dalla mia esperenza didattica nei corsi di Costruzione di Macchine per i Corsi di Laurea di Ingegneria Chimica e, più di recente, di Ingegneria dei Materiali e di Ingegneria navale. Sono stati concepiti solo a servizio e non come sostitutivi della lezione; di fatto, l esposizione in aula degli argomenti è sempre molto più ampia di quanto qui riportato (per non parlare dei miei intermezzi culturali); ciò nasce sia dalla mancanza di tempo per la redazione di dispense più complete, sia dalla difficoltà di procurarsi materiale iconografico, tabelle e dati tecnici, sia dalla necessità di contenere i costi di stampa, e quindi di non produrre troppe pagine. Le parti scritte in carattere piccolo sono complementari e vengono di solito tralasciate; lo svolgimento del corso suggerirà delle integrazioni, e magari di trattare più sinteticamente alcune parti. Il capitolo sull analisi dinamica, e sulle sue applicazione (analisi sismica di serbatoi alti) è ancora allo stato di abbozzo. Conto di apportare altre modifiche nel prossimo futuro, sia ampliando alcuni argomenti, sia trattandone altri più sinteticamente, man mano che se ne presenterà l esigenza. In particolare sto preparando del materiale sulla termodinamica della deformazione e sull applicazione della meccanica dei continui alle problematiche della Costruzione di Macchine. Anche la parte calcolativaprogettuale merita di essere ampliata, compatibilmente con il ridotto numero di ore di quelle che è pur sempre un corso complementare. Forse già da quest anno presenterò in maniera più organica l instabilità dell equilibrio elastico. ii

4 Indice 1 Prove sui materiali Prova di trazione Diagramma σ-ɛ La tensione ammissibile Altre prove Prova di flessione Prova di resilienza Prova di durezza Macchine di prova Deformazione Teoria della deformazione Misura della deformazione Estensimetri elettrici Fotoelasticità Richiami di Resistenza dei Materiali Analisi della tensione Legame tensione-deformazione Termodinamica della deformazione Criteri di resistenza Formule di verifica e di progetto Solido del De Saint Venant Deformazioni laterali di travi inflesse Metodo degli elementi finiti Il problema generale dell equilibrio elastico Spostamento e sua approssimazione Lineamenti generali Proprietà e significato fisico della matrice K Complementi e complicazioni Analisi dinamica Effetto d intaglio Introduzione Analogia idrodinamica Soluzione del Neuber Foro circolare in lastra di larghezza finita, in trazione Piastra di larghezza finita con intagli laterali semicircolari, in trazione Piastra di larghezza finita con intagli laterali generici, in trazione Aste a sezione circolare Instabilità dell equilibrio elastico Introduzione Definizione di instabilità Un semplice esempio Postulato fondamentale Metodi per lo studio della stabilità Metodo statico iii

5 6.2.2 Metodo energetico Applicazioni Travi snelle caricate di punta Travi tozze caricate di punta Metodo omega Altre applicazioni Plasticità Fenomenologia della plasticità Cause della plasticità Teorie matematiche della plasticità Tensioni residue Scorrimento viscoso Definizioni Prove di creep Meccanismi del creep Estrapolazione dei dati sperimentali Parametro di Larson-Miller Calcolo di strutture soggette a scorrimento viscoso Altri parametri per l estrapolazione dei dati sperimentali Tempo compensato Parametri di Dorn Parametro di Manson-Haferd Meccanica della frattura Trattazione energetica Prove di tenacità alla frattura Tipi e proporzioni dei provini Appoggi e afferraggi Dimensioni dei provini Formazione a fatica della cricca Strumentazione Interpretazione della prova Calcolo di K Ic Materiali per basse temperature La rilevazione delle cricche Liquidi penetranti Raggi X e gamma Ultrasuoni Metodi elettromagnetici Fatica dei materiali Generalità Prove di fatica Aspetto della rottura per fatica Studio del comportamento a fatica Metodo Staircase Fattori che influenzano la fatica Trattamenti di rullatura e di pallinatura Resistenza a limite di fatica iv

6 Determinazione del coefficiente di sicurezza Osservazioni critiche Resistenza a fatica (vita finita) Determinazione dl numero di cicli a rottura Esercizio: albero in flessione rotante Fatica cumulativa Propagazione delle cricche di fatica Recipienti a parete sottile L elemento di membrana Geometria dei recipienti di rivoluzione Equazioni di equilibrio Prima equazione di equilibrio (equilibrio locale) Seconda equazione di equilibrio (equilibrio globale) Applicazioni Recipienti per gas Sfera di raggio R Cilindro di raggio R con fondi di pezzo Recipente torico Serbatoio conico per liquidi Recipienti a parete spessa Equazioni di Lamé Equazione di equilibrio Equazioni di congruenza Equazioni di Navier (legame tensione-deformazione) Equazione differenziale della tensione Formule di progetto e di verifica Appendice al capitolo Recipienti per altissime pressioni Recipienti cerchiati Recipienti nastrati Recipienti autocerchiati La costruzione dei recipienti Spessori minimi delle pareti Recipienti sferici Cilindri soggetti a pressione interna Cilindri soggetti a pressione esterna Cilindri verticali snelli Pressione Carichi statici Spinta del vento Carico sismico Cilindri orizzontali snelli Fondi Fondi sferici Fondi ellittici Fondi torosferici Costruzioni grafiche per fondi torosferici v

7 Aspetti normativi Serbatoi di stoccaggio Serbatoi per liquidi Serbatoi per gas Strutture di sostegno Fondazioni Sostegni Tecnologie per la costruzione dei recipienti Collegamenti filettati, flange e guarnizioni Chiusura dei coperchi Formule per le rigidezze Momento di serraggio Verifica della vite Distanze tra i bulloni Collegamento a flangia per attrito Tabelle dell unificazione Guarnizioni Guarnizioni tra superfici fisse Guarnizioni tra superfici mobili Flange Trasmissioni Generalità Ruote di frizione Ruote dentate Generalità Classificazione Profili dei denti Profilo cicloidale Profilo ad evolvente La forma della dentatura Ruote a denti diritti Ruote a denti elicoidali Angolo di spinta La costruzione delle ruote dentate ad evolvente Verifica delle ruote dentate Simboli Condizione di resistenza al pitting Condizione di resistenza alla fatica Progetto a flessione del dente Cuscinetti a strisciamento Generalità Lubrificanti e viscosità Teoria della lubrificazione perfetta Progettazione speditiva dei cuscinetti a strisciamento Verifica e progettazione dei cuscinetti a strisciamento Un esempio Materiali per cuscinetti a strisciamento vi

8 A Bibliografia A-1 A.1 Manuali ed enciclopedie A-1 A.2 Opere generali A-1 A.3 Articoli A-2 A.4 Opere su comportamento meccanico e scelta dei materiali A-2 A.5 Periodici A-3 A.6 Norme A-3 A.6.1 Norme per progetto ed il calcolo di componenti a strutture A-3 A.6.2 Principali norme circa le prove sui materiali metallici A-4 A.6.3 Principali norme circa le prove sui materiali non metallici A-4 A.6.4 Raccolte di norme tecniche europee A-5 A.6.5 Manuali UNI A-6 A.6.6 ISO Standards Handbooks A-6 A.6.7 Altre pubblicazioni A-6 B Alfabeto greco B-1 vii