LA PROGETTAZIONE MECCANICA INTRODUZIONE Elementi Costruttivi delle Macchine 1 Un cenno storico • La Progettazione Meccanica o Costruzione delle Macchine è l’insieme delle attività necessarie a definire le modalità costruttive di una macchina • All’inizio (primi anni del ‘900) l’ intero corpo della disciplina coincideva con il processo di calcolo progettuale e di verifica degli elementi delle macchine • Era cioè più importante l’analisi dei problemi che la sintesi del processo Elementi Costruttivi delle Macchine 2 Un cenno storico • Predominante era l’influenza europea, e tedesca prima di tutto, in cui il dimensionamento degli organi costituenti una macchina si identificava con la progettazione meccanica. • Ciò risulta evidente anche dalla terminologia; in tedesco la progettazione è detta “Konstruction” e questo ha portato ad usare la parola Costruzione. • In italiano si ha una forzatura linguistica: – per Costruzione di Macchine non si intende il processo di costruzione della macchina ma l’ insieme delle informazioni necessarie e preliminari alla costruzione stessa, cioè la sua progettazione. • Per questo recentemente si è aggiunto anche «Progettazione Meccanica» Elementi Costruttivi delle Macchine 3 Un cenno storico • Nonostante all’inizio del ‘900, fossero stati raggiunti già livelli di notevole complessità, non era necessario uscire dalle competenze del solo ambito meccanico per progettare una buona macchina. • La sempre maggiore complessità delle macchine che vengono progettate, dei processi con i quali vengono realizzate e del contesto socioeconomico in cui si inseriscono, rende superata questa posizione. Elementi Costruttivi delle Macchine 4 La situazione attuale • Oggi è del tutto abituale considerare la progettazione come una fase di apporti interdisciplinari diversi, spesso provenienti da ambiti culturali lontani, da integrare fra loro per conseguire lo scopo produttivo inizialmente scelto come obiettivo. • Questo approccio privilegia lo strumento della sintesi, lasciando a momenti temporali successivi l’ analisi di dettaglio. • Per comprendere questo è sufficiente valutare l’ impatto che sulla progettazione, costruzione ed esercizio delle macchine ha avuto lo sviluppo del controllo e delle regolazione elettronica nonché l’ impiego delle moderne metodologie informatiche. Elementi Costruttivi delle Macchine 5 La situazione attuale • Oggi la progettazione di una macchina è adeguata nella misura in cui viene supportata e convalidata da un poderoso apparato di conoscenze organizzative, tecniche, economiche e commerciali. • Ciò porta ad una visione sintetica di insieme di ciò che si vuole realizzare e del suo impatto nel mondo in cui si inserisce dal momento della messa in servizio a quello della rottamazione. Elementi Costruttivi delle Macchine 6 La Progettazione Meccanica • La Progettazione Meccanica è quindi l’ insieme delle attività necessarie per predisporre la realizzazione di una macchina o di un impianto o di un apparato meccanico. • Devono cioè essere definite le caratteristiche generali del manufatto nel suo insieme, le prestazioni e tutto ciò che è necessario per caratterizzarlo. • Successivamente si passa alla definizione dei vari elementi costituenti espresse in termini di forma, dimensioni e di scelta dei materiali. • Nell’ ultimo stadio della progettazione si definiscono i requisiti generali riguardanti il processo di realizzazione, le fasi operative, i collaudi e i controlli Elementi Costruttivi delle Macchine 7 La Progettazione Meccanica • Gli elementi fondamentali della Progettazione Meccanica sono: – – – – Gli obiettivi I vincoli Le metodologie Gli strumenti operativi • Il progettista è al centro di un processo complesso e multidisciplinare in cui sono presenti – Cognizioni tecniche e scientifiche – Contributi dalla economia e dalla sociologia – Aspetti che riguardano la psicologia, l’ estetica Elementi Costruttivi delle Macchine 8 La Progettazione Meccanica • I diversi contributi per sommarsi in modo costruttivo devono superare le difficoltà derivanti dalla differenza di approccio tra scienze umane e tecniche • Devono inoltre elaborare un linguaggio comune che consenta la comunicazione. • In questo panorama composito e complesso, l’ elemento comune è rappresentato dall’ obiettivo di soddisfare una richiesta o un bisogno nel migliore dei modi possibile. Elementi Costruttivi delle Macchine 9 Ciclo di vita di un prodotto Elementi Costruttivi delle Macchine 10 Gli strumenti della progettazione • Da un punto di vista strettamente tecnico, lo strumento principale per l’ esecuzione della progettazione è lo sviluppo, la messa a punto e l’ uso di modelli di simulazione. • Ciò nasce dal fatto che chi progetta, dovendo verificare se le soluzioni proposte per il conseguimento dell’ obiettivo progettuale prescelto sono accettabili, deve ipotizzare un comportamento dell’ elemento che sta progettando e confrontarlo con i requisiti di accettabilità stabiliti in precedenza. Elementi Costruttivi delle Macchine 11 Gli strumenti della progettazione • Per eseguire la verifica del comportamento di un sistema si deve usare un modello, che può essere teorico, numerico o sperimentale. • Anzi si può affermare che l’ ingegneria progettuale nel suo complesso sia la scienza che sviluppa e utilizza modelli, essendo questo l’ unico modo per studiare, in modo scientificamente corretto, una realtà che ancora non esiste ma che si vuole realizzare. Elementi Costruttivi delle Macchine 12 Gli strumenti della progettazione • Per analizzare i problemi progettuali è fondamentale la strategia di suddividere il problema in sottoproblemi più semplici per poter sviluppare modelli più piccoli e quindi di più facile approccio. Questo metodo è definito “Top-Down” • La capacità di scegliere le caratteristiche dei modelli da sviluppare, la conoscenza delle modalità disponibili e consolidate per lo sviluppo di tali modelli e la coscienza dei limiti di essi e del relativo grado di approssimazione è il cuore della moderna scienza della progettazione meccanica Elementi Costruttivi delle Macchine 13 Gli strumenti della progettazione • Gli strumenti operativi della progettazione meccanica sono i seguenti: – La valutazione dello stato di sforzo per confrontarlo con i valori ammissibili dei materiali. – Le sollecitazioni esterne sono rappresentate, nella forma più semplice, come forze applicate staticamente – Successivamente si considerano gli effetti dinamici, quelli relativi alla fatica e quelli relativi all’ ambiente (temperatura, attacco corrosivo, ecc.). – Infine, all’aumentare della complicazione degli apparati e delle prestazioni, si è passati ad utilizzare analisi più sofisticate, più complesse e più complete riguardanti non solo l’ integrità strutturale ma tutti i possibili aspetti funzionali. Elementi Costruttivi delle Macchine 14 Gli strumenti della progettazione • Tutte le tecniche attualmente disponibili per sviluppare modelli di simulazione sono quindi tipiche della Progettazione Meccanica • I tradizionali strumenti derivati dalla meccanica del continuo • Gli strumenti di simulazione numerica messi a punto negli ultimi decenni. • Negli ultimi 30 anni infatti si è assistito alla spettacolare diffusione dell’impiego dei metodi numerici, quali quello degli elementi finiti per simulare il comportamento strutturale degli elementi di macchine in condizioni statiche o dinamiche, per comportamenti di tipo lineare o non lineare. • Più di recente si è prestata maggiore attenzione all’uso delle tecniche di multi-body analysis sia per elementi rigidi che per elementi flessibili. Elementi Costruttivi delle Macchine 15 Gli strumenti della progettazione • Poiché però tutti i tipi di simulazione si eseguono utilizzando una schematizzazione dell’elemento reale con un modello che sintetizza o semplifica quest’ultimo, è necessario sempre assicurare la possibilità di verificare il grado di attendibilità dei risultati ottenuti mediante l’esecuzione di opportune sperimentazioni. Questo passo non è solo la manifestazione della volontà di verificare l’ esattezza dei calcoli e delle elaborazioni eseguite ma contiene, in realtà, un’ esigenza concettuale più profonda. La sperimentazione è di fondamentale importanza in quanto essa riconduce la Progettazione Meccanica nel novero delle attività scientifiche in senso galileano. Elementi Costruttivi delle Macchine 16 La sequenza temporale della progettazione • • Studio di fattibilità in cui, partendo dall’ esigenza di base, vengono definite le prestazioni generali del nuovo prodotto nonché, in linea generale, le soluzioni tecniche che si ritengono idonee a conseguire lo scopo: – gli eventuali contenuti di innovazione da sviluppare – gli elaborati sono: relazioni tecniche descrittive e disegni di insieme – in questo stadio del progetto si possono considerare ancora alcune soluzioni alternative Viene, di solito approntato anche un preventivo economico di prima approssimazione basato, essenzialmente, sull’ analogia con realizzazioni consimili. Elementi Costruttivi delle Macchine 17 La sequenza temporale della progettazione Progetto di massima in cui viene eseguita un’ analisi approfondita delle funzioni della macchina e delle relative prestazioni: – – l’ architettura generale le principali caratteristiche commerciali per il corretto inserimento nel mercato. Le scelte dovranno tenere conto: – – – della fattibilità tecnica alla luce dei vincoli economici imposti delle capacità tecniche e tecnologiche della struttura produttiva che dovrà realizzare il prodotto dei vincoli imposti dai requisiti di legge (sicurezza, ambiente durante l’uso e durante tutto il ciclo di vita) Elementi Costruttivi delle Macchine 18 La sequenza temporale della progettazione • Progetto di dettaglio in cui si sviluppa in modo completo un’ analisi sistematica dei singoli elementi costituenti la macchina. Tale analisi deve avere il grado di approfondimento necessario a determinare: • la forma, le dimensioni, i materiali e le lavorazioni da impiegare per realizzare la macchina. • i fornitori di materiali, sottoinsiemi o servizi indispensabili alla realizzazione. • il programma temporale delle attività di costruzione chiarendo il tipo e l’ entità delle risorse da mettere in campo per conseguire l’ obiettivo prescelto. • Gli elaborati prodotti sono: – – – – – relazioni di calcolo dettagliate rapporti e certificati di prova disegni costruttivi per ogni singolo elemento e per ogni fase di lavorazione distinte di lavorazione Istruzioni per il montaggio e il collaudo. Elementi Costruttivi delle Macchine 19 La sequenza logica della progettazione • I passi ora enumerati sono caratterizzati dal fatto che non seguono una progressione di sviluppo lineare ma, spesso, sono caratterizzati dalla necessità di ripensare le soluzioni scelte attraverso modifiche o rifacimenti completi. Questa sequenza da luogo a veri e propri procedimenti iterativi di ricerca della soluzione ottimale, è basata su alcuni passi standardizzati che vengono compiuti con regolarità in ogni fase del progetto: – – – – – definizione del problema ricerca e individuazione della soluzione sviluppo della soluzione controllo della soluzione modifica della soluzione Elementi Costruttivi delle Macchine 20 La sequenza delle fasi della progettazione Elementi Costruttivi delle Macchine 21 Il controllo della progettazione • L’ intero processo di progettazione deve essere sottoposto al controllo ed, eventualmente, alla revisione. Tale controllo è presente in tutte le fasi della progettazione e ha lo scopo – – – – verificare che tutti i dati iniziali di progetto siano stati correttamente considerati e usati; verificare che tutte le informazioni necessarie siano state fornite in modo chiaro, completo ed univoco; verificare l’ esattezza e l’ attendibilità di tutte le elaborazioni, numeriche e sperimentali, compiute; verificare alla fine la congruenza di quanto progettato con i requisiti iniziali di partenza. Elementi Costruttivi delle Macchine 22 Costo Il controllo della progettazione Grado di Dettaglio La revisione del progetto comporta costi aggiuntivi che sono crescenti con lo stato di avanzamento del progetto. Elementi Costruttivi delle Macchine 23 La progettazione è un’ attività scientifica? • Il problema con cui è necessario confrontarsi è se la progettazione sia realmente un’ attività scientifica. • Chiedersi se la progettazione sia un’ attività scientifica significa, in realtà, interrogarsi sul grado di affidabilità di essa e chiedersi se essa possa portare a risultati indiscutibili o, viceversa, arbitrari. • Questo interrogativo, considerando che ad apparati, progettati e costruiti da altri, noi affidiamo la salvaguardia della nostra incolumità, la realizzazione del nostro benessere e spesso la nostra stessa sopravvivenza, non è di poco conto in quanto il grado di arbitrarietà di una soluzione progettuale è per noi, spesso, sinonimo si inaffidabilità e quindi di insicurezza. Elementi Costruttivi delle Macchine 24 Un esempio Elementi Costruttivi delle Macchine 25 La progettazione è un’ attività scientifica? • Per scienza si intende, solitamente, un metodo di acquisizione delle conoscenze fondato su una serie di postulati che hanno resistito all’ indagine, alla verifica e alla critica di vari secoli di studi. • Esso è stato formulato, discusso, utilizzato e modificato a partire dal secolo XVII e si è inizialmente sviluppato nell’ ambito delle scienze fisiche e chimiche. • Oggi è cognizione comune classificare tre categorie principali di scienza: le scienze fisiche, le scienze biologiche e le scienze umane. • Per esse, mentre sono immutati i postulati fondamentali, quali, ad esempio, il determinismo, l’ empirismo, l’ elaborazione teorica successiva all’ esperimento, lo sviluppo continuo, la revisione critica possono variare anche notevolmente i singoli procedimenti di studio. Elementi Costruttivi delle Macchine 26 La progettazione è un’ attività scientifica? • La progettazione, all’ interno della classificazione ora esposta, si colloca in una posizione intermedia perché se è pur vero che il corpo centrale delle attività progettuali appartiene senza alcun dubbio alla categoria delle scienze fisiche, è altrettanto vero che la scelta degli obiettivi della progettazione e il giudizio dei risultati di essa appartiene alla categoria delle scienze umane. • Tale posizione intermedia e la necessità, in alcuni stadi del suo sviluppo, di far uso di procedimenti non automatici e quindi non oggettivamente motivabili, rende impossibile giudicarla a priori scientifica. Elementi Costruttivi delle Macchine 27 La progettazione è un’ attività scientifica? • Un altro aspetto anomalo è il fatto che, nelle scienze fisiche si considera l’attività scientifica come una sequenza rigida: – – – – – – – – • • constatazione di un fenomeno analisi delle grandezze formulazione di un’ ipotesi verifica sperimentale dell’ ipotesi codificazione di una legge revisione critica di una legge falsificazione della legge nuova ipotesi L’ importanza del processo di revisione critica di una legge e della sua eventuale falsificazione, cioè dell’ individuazione di risultati sperimentali che la contraddicono, al fine di costituire, per successive modificazioni una legge che comprenda meglio i risultati sperimentali è il grande contributo offerto alla filosofia della scienza dagli studiosi del XX secolo e, in particolare, da K. Popper. Esempio: La meccanica di Newton e quella di Einstein Elementi Costruttivi delle Macchine 28 La progettazione è un’ attività scientifica? • L’elemento anomalo è costituito dal fatto che nella progettazione, intesa come sviluppo e uso di una serie di modelli per prevedere il comportamento di un apparato, la sequenza appare alterata in quanto la concettualizzazione della realtà futura, cioè lo studio del comportamento di un apparato che ancora non esiste, viene eseguita prima che sia possibile sperimentarla e spesso in modo del tutto indipendente. Elementi Costruttivi delle Macchine 29 La progettazione è un’ attività scientifica? • E’ però anche consolidato dall’ esperienza comune della vita di ogni giorno che, salvo alcuni casi assai rari, gli oggetti, i macchinari e gli impianti realizzati seguendo questa procedura funzionano effettivamente secondo le attese, testimoniando che il processo progettuale non ha dato luogo a risultati arbitrari o inaffidabili e quindi insicuri. • Viene quindi spontaneo, per tali casi, che sono la maggioranza, affermare che la progettazione ha dato luogo ad una conoscenza della realtà completa e affidabile secondo le modalità tipiche della scienza. Elementi Costruttivi delle Macchine 30 La progettazione è un’ attività scientifica? • E’ però altrettanto vero che, in alcuni casi che a volte si rivelano catastrofici, la progettazione, anche escludendo banali errori esecutivi, si rivela fallace e lontana dal reale andamento dei fenomeni come se, nel suo sviluppo, fosse stato contraddetto qualcuno dei postulati fondamentali del metodo scientifico. • Risulta quindi abbastanza naturale ricercare se nei fallimenti esista un comune errore, una smagliatura del procedimento che, una volta avvenuta, infici totalmente le conclusioni dell’ intero lavoro. Elementi Costruttivi delle Macchine 31 La progettazione è un’ attività scientifica? • Alcuni esempi storici di insuccessi non legati all’errore ma all’insufficiente conoscenza dei fenomeni fisici coinvolti – Il ponte di Tacoma – Le navi Liberty – Gli aerei Comet Elementi Costruttivi delle Macchine 32 Il ponte di Tacoma • Il ponte di Tacoma è un ponte sospeso che attraversa il canale Tacoma Narrows • Inaugurato il 1° luglio 1940. • Crollato IL 7 novembre del 1940. • La causa del crollo fu un Fenomeno di risonanza indotto dal distacco dei vortici dovuti al vento Elementi Costruttivi delle Macchine 33 Le navi Liberty Navi da trasporto americane a struttura saldata impiegate durante la 2° Guerra Mondiale I numerosi collassi erano dovuti ad un fenomeno di propagazione instabile di cricche nella struttura saldata Elementi Costruttivi delle Macchine 34 Le navi Liberty Elementi Costruttivi delle Macchine 35 Gli aerei Comet Primo aereo commerciale a reazione Elementi Costruttivi delle Macchine 36 Gli aerei Comet Elementi Costruttivi delle Macchine 37 Gli aerei Comet I disastri erano dovuti alla propagazione di fessure in corrispondenza della concentrazione di tensione in corrispondenza dei finestrini per effetto dei cicli di pressurizzazione-depressurizzazione Elementi Costruttivi delle Macchine 38 Conclusione • Il rischio di insuccessi deriva dalla difficoltà di distinguere il sottile confine che esiste tra “nuovo progetto” e “progetto innovativo” • Tale distinzione delimita il campo in cui si può ritenere la progettazione – una attività scientifica e quindi in grado di fornire risultati certi e attendibili, – oppure caratterizzata da un così rilevante grado di arbitrarietà da non poter fornire altro che suggerimenti da verificare e convalidare con severa accuratezza. Elementi Costruttivi delle Macchine 39 Conclusione • La capacità di discernere in quale dei due settori ci si trovi, oltre che dalla constatazione oggettiva dell’ esistenza di esempi analoghi, dipende – dalla esperienza, – dal bagaglio culturale del progettista – dalla serena consapevolezza della limitazione della sua conoscenza. Elementi Costruttivi delle Macchine 40 Conclusione «Lo scienziato descrive cio' che esiste; l’ingegnere crea cio' che non era mai stato». Theodore Von Kármán «Non può esserci progresso senza Affrontare l’ignoto». Elementi Costruttivi delle Macchine 41
