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INTRODUZIONE 13-14

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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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delle Macchine
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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
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Ciclo di vita
di un prodotto
Elementi Costruttivi
delle Macchine
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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
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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
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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
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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.
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delle Macchine
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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La sequenza delle fasi della
progettazione
Elementi Costruttivi
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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
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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
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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
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Un esempio
Elementi Costruttivi delle Macchine
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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delle Macchine
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Le navi Liberty
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delle Macchine
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Gli aerei Comet
Primo aereo commerciale
a reazione
Elementi Costruttivi
delle Macchine
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Gli aerei Comet
Elementi Costruttivi
delle Macchine
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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
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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
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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
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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».
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