Università del Salento
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
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R. Nobile – Progettazione Assistita e Meccanica Sperimentale
La Meccanica Sperimentale
Università del Salento
Analisi delle sollecitazioni
Definizioni
Il termine «Analisi delle sollecitazioni» 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»
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R. Nobile – Progettazione Assistita e Meccanica Sperimentale
La Meccanica Sperimentale
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Analisi delle sollecitazioni
Definizioni
La Meccanica Sperimentale 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
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La Meccanica Sperimentale
Università del Salento
Analisi delle sollecitazioni
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.)
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La Meccanica Sperimentale
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
Fotoelasticità
La fotoelasticità è una tecnica a campo intero e il risultato
della misura è costituito dalla differenza delle tensioni
principali (σ1 – σ2)
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
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Analisi delle sollecitazioni
Isocromatiche
frange o curve isocromatiche: luogo dei punti in cui la
differenza delle tensioni principali è costante
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Analisi delle sollecitazioni
Isocline
frange o curve isocline: luogo dei punti in cui la croce
delle tensioni principale ha orientazione costante
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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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
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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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
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
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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
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Analisi delle sollecitazioni
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
B ra gg
B ra g g
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Analisi delle sollecitazioni
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 λB
Se la fibra ottica si deforma, per effetto di carichi o della
temperatura, si misura una traslazione della lunghezza
d’onda λB
B ra gg
B ra g g
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Analisi delle sollecitazioni
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
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Analisi delle sollecitazioni
Altri metodi – diffrattometria a raggi X
Si basa sulla misura della distanza interplanare tra i piani
cristallini di un materiale
d d0
d0
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