Scheda programma d'esame
SPACECRAFT STRUCTURES AND MECHANISMS
MARIO ROSARIO CHIARELLI
Anno accademico2023/24
CdSINGEGNERIA AEROSPAZIALE
Codice666II
CFU12
PeriodoAnnuale
LinguaInglese

ModuliSettore/iTipoOreDocente/i
SPACECRAFT STRUCTURES AND MECHANISMSING-IND/04LEZIONI120
MARIO ROSARIO CHIARELLI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Lo studente che completa con successo il corso sarà in grado di dimostrare una buona conoscenza sia degli aspetti meccanici che tecnologici che si riferiscono alle strutture spaziali e ai meccanismi; acquisirà conoscenze sulla fatica e la meccanica della frattura dei materiali metallici; sarà in grado di risolvere problemi di meccanica e sarà in grado di redigere una relazione tecnica al termine della esecuzione di un'esercitazione progettuale. La valutazione si basa per il 50% sulla verifica effettuata durante l'esame (orale). Il restante 50% si basa sulla valutazione della relazione di progetto che un singolo studente o un gruppo di studenti produrrà al termine del corso prima della fase di esame.

Knowledge

The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a good knowledge of both mechanical and technological aspects that refer to the space structures and to the mechanisms; will be aware of fatigue and fracture mechanics of metallic materials; will be able to solve problems of mechanics and will be able to prepare a technical report at the end of a project exercise. The evaluation is based for a 50% on the verification executed during the examination (written and oral). The other 50% is based on the evaluation of the project report that a single student or a group of students will produce at the end of the course before the examination phase.

Modalità di verifica delle conoscenze

La valutazione si basa principalmente sulla verifica delle conoscenze di base necessarie per la progettazione di strutture e meccanismi aerospaziali (progettazione strutturale preliminare dei lanciatori, analisi di resistenza, fatica, meccanica della frattura, giunti, cuscinetti, ingranaggi). L'incertezza di queste competenze non è consentita. Lo studente dovrà dimostrare di saper mettere in pratica ed eseguire, con consapevolezza critica, i metodi di progettazione e le procedure di verifica illustrati durante il corso. Per questo motivo la discussione della relazione di progetto occuperà una parte importante della fase di esame.

L'esame si basa sulla soluzione di esercizi scritti e su una successiva discussione dei risultati.

Assessment criteria of knowledge

The evaluation is based primarily on the verification of the basic knowledge necessary for the design of aerospace structures and mechanisms (preliminary structural design of the launchers, strenght analysis, fatigue, fracture mechanics, joints, bearings, gears). The uncertainty of these skills is not allowed. The student must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the design methods and the verification procedures illustrated during the course. For this reason the discussion of the project report will take an important part of the examination phase.

The examination is based on the solution of written exercises and on a subsequent discussion of the results.

Capacità

competenze di base per la formulazione matematica (modellazione di) di problemi fisici e/o tecnici

competenze di base nella pianificazione del processo di progettazione di un veicolo spaziale

competenze di base per la risoluzione di problemi nel campo dell'ingegneria aerospaziale

Skills

basic skills for the mathematical formulation (modeling of) of physical and/or technical problems

basic skills in planning of a spacecraft (space vehicle) design process

basic skills for problem solving in the field of aerospace engineering

Modalità di verifica delle capacità

durante lo svolgimento delle lezioni il docente propone agli studenti la risoluzione di alcuni semplici problemi di dinamica strutturale e di meccanica della fatica e/o della frattura dei materiali metallici

gli incontri periodici, che si svolgono durante lo sviluppo di ciascun progetto, forniscono buone occasioni per incrementare la preparazione tecnica degli studenti e per definire obiettivi formativi concreti

allo stesso tempo, lo sviluppo e la preparazione della relazione di progetto consente al docente di evidenziare la preparazione personale e/o le lacune personali di ciascun studente

 

Assessment criteria of skills

during the lesson period the teacher suggests that students solve some simple structural dynamics problems and fatigue and/or fracture mechanics of metallic materials

the periodic meetings, which take place during the development of each project, provide good opportunities to increase the technical preparation of students and to define concrete training objectives

at the same time, the development and preparation of the project report allows the teacher to highlights personal preparation and/or personal gaps of each student

Comportamenti

si suggerisce agli studenti di seguire con assiduità le lezioni sia nel primo che nel secondo periodo

Behaviors

it is suggested to the students to follow the lessons with assiduity both in the first period and in the second period

Modalità di verifica dei comportamenti

l'esperienza del docente permette di individuare gli studenti che hanno dimostrato poco impegno durante le lezioni e di definire un quadro preliminare per la valutazione della preparazione di ciascun studente

Assessment criteria of behaviors

the experience of the teacher allows to identify the students who have shown little commitment during the lessons and to define a preliminary framework for the assessment of the preparation of each student

Prerequisiti (conoscenze iniziali)

statica dei sistemi meccanici

teoria delle travi - conoscenze di base sulla teoria delle placche e dei gusci

calcolo delle caratteristiche (forze e momenti)

conoscenze di base sull'analisi delle tensioni

conoscenze di base sui fenomeni di buckling

conoscenze di base sulla cinematica e dinamica dei sistemi discreti

conoscenze di base sulla dinamica dei sistemi meccanici

conoscenze di base sull'analisi termica

conoscenze di base sulla tecnologia dei materiali

Prerequisites

statics of mechanical systems

theory of beams - basic knowledge on the theory of plates and shells 

computation of characteristics (forces and moments)

basic knowledge on the stress analysis

basic knowledge on buckling phenomena

basic knowledge on kinematics and dynamics of discrete systems

basic knowledge on the dynamics of mechanical systems

basic knwoldge on thermal analysis

basic knowledge on the materials technology

Corequisiti

Conoscenze di base per l’uso di software di programmazione (es. MATLAB) e software di disegno assistito (CAD)

Co-requisites

Basic knowledge for the use of programming software (e.g. MATLAB) and computer-aided design software (CAD)

Prerequisiti per studi successivi

Conoscenze sulla analisi dei carichi, sulle tecniche di progettazione e sulle tecniche di verifica di strutture e meccanismi di impiego spaziale

Prerequisites for further study

Knowledge of load analysis, design techniques and verification techniques of structures and mechanisms for space use

Indicazioni metodologiche

Lezioni teoriche e, nel secondo periodo, utilizzo del personal computer per la preparazione di modelli agli Elementi Finiti in ambiente Ansys Workbench.

 

incontri periodici durante lo sviluppo del project work (in generale ogni progetto sarà prodotto da un team di due-tre studenti)

Teaching methods

Theoretical lessons and, in the second period, use of personal computer for the preparation of Finite Element models by Ansys Workbench environment.

periodic meetings during the development of the project work (in general each project will be produced by a team of students two-three)

 

Programma (contenuti dell'insegnamento)

Contenuti del corso

 

(I) ottobre-dicembre

Note sul processo di progettazione di un lanciatore e di un veicolo spaziale.

La fase di lancio: esame preliminare delle condizioni di carico acustico e vibrazionale

Analisi delle vibrazioni non deterministiche. Analisi della risposta vibro-acustica.

Introduzione alla progettazione strutturale dei razzi.

Affidabilità di componenti e strutture: definizioni fondamentali e applicazioni.

Analisi della resistenza: definizione della condizione di carico limite e della condizione di carico ultimo (snervamento e collasso delle strutture).

 

(II) Febbraio-aprile

Laboratorio informatico (software ANSYS)

Giunti saldati.

Giunti fissati.

Fatica.

Curve S-N.

Il diagramma di Goodman per i materiali duttili.

Effetto della concentrazione dello stress.

Crescita delle cricche da fatica: cenni di base sulla meccanica della frattura.

 

(III) Maggio

Laboratorio informatico (software ANSYS)

Introduzione alla teoria dei materiali compositi.

Tensioni da contatto: discussione dei risultati della teoria di Hertz.

Molle (nozioni di base)

Cuscinetti.

Ingranaggi cilindrici.

Treni di ingranaggi – rotismi epicicloidali (cenni fondamentali)

Dinamica degli alberi rotanti: calcolo preliminare delle velocità critiche.

Syllabus

Course Contents

 

( I ) October-December

 

Notes about the design process of a launcher and a spacecraft.

The launch phase: preliminary examination of acoustic and vibration loading conditions

Random vibrations analysis. Vibro-acoustic Response Analysis.

Introduction to the structural design of rockets.

Reliability of components and structures: basic definitions and applications.

Strength analysis: definition of the limit loading condition and ultimate loading condition (yielding and collapse of structures).

 

( II )  February-April

 

Computer Lab (ANSYS Workbench)

Welded joints.

Fastened joints.

Fatigue.

S-N curves.

The Goodman diagram for ductile materials.

Effect of the stress concentration.

Fatigue crack growth: basic notes on fracture mechanics.

 

( III ) May

 

Computer Lab (ANSYS Workbench)

Introduction to the theory of composite materials.

Contact stresses: discussion of results of the Hertz theory.

Springs (basic notes)

Bearings.

Spur gears.

Gear trains (basic notes)

Rotating shaft dynamics: critical speeds computation.

Bibliografia e materiale didattico

La lettura consigliata include i seguenti libri e/o documentazione tecnica:

 

T.P. Sarafin "Spacecraft Structures and Mechanisms - From Concept to Launch"

 

RC Juvinall e K.M. Marshek "Fundamentals of Machine Component Design"

 

ESA Spacecraft mechanical loads analysis handbook - ECSS-E-HB-32-26A, 19 febbraio 2013

 

ESA Buckling - ECSS-HB-32-24A, 24 marzo 2010

 

NASA TM-X-73305 - Astronautic Structures Manual - Vol I - Vol II - Vol III, 1975

 

NASA-HDBK-7008 - SPACECRAFT DYNAMIC ENVIRONMENTS TESTING, 2014

 

Jacob Job Wijker - Spacecraft Structures, Springer, 2008

 

Lezioni di Strutture e Meccanismi di Impiego Spaziale (appunti e lucidi) - M. Chiarelli (e-learning)

 

Si invitano gli studenti a visitare il sito www.ecss.nl per consultare tutta la documentazione tecnica prodotta dall'ESA

Bibliography

Recommended reading includes the following books and/or technical documentation:

 

T.P. Sarafin "Spacecraft Structures and Mechanisms - From Concept to Launch"

 

R.C. Juvinall & K.M. Marshek "Fundamentals of Machine Component Design"

 

ESA Spacecraft mechanical loads analysis handbook -  ECSS-E-HB-32-26A, 19 February 2013

 

ESA Buckling - ECSS-HB-32-24A, 24 March 2010

 

NASA TM-X-73305 - Astronautic Structures Manual - Vol I - Vol II - Vol III, 1975

 

NASA-HDBK-7008 - SPACECRAFT DYNAMIC ENVIRONMENTS TESTING, 2014

 

Jacob Job Wijker - Spacecraft Structures¬Ě, Springer, 2008

 

Lectures of Spacecraft Structures and Mechanisms (notes and slides) - M. Chiarelli (e-learning)

 

Please visit the website www.ecss.nl to consult all the technical documentation produced by ESA

Indicazioni per non frequentanti

la mancata frequenza delle lezioni può causare notevoli difficoltà nello sviluppo della preparazione stessa, nella comprensione e sviluppo dei semplici esercizi meccanici proposti durante l'anno ed infine nella preparazione e sviluppo della esercitazione di progetto

il docente, comunque, registra le lezioni su piattaforma TEAMS anche se spesso la stessa piattaforma presenta problemi tecnici sulla stabilità della connessione e sulla regolarità e completezza delle registrazioni

Non-attending students info

the missed attendance of the lessons can cause considerable difficulties in the development of the preparation itself, in the understanding and development of the simple mechanical exercises proposed during the year and finally in the preparation and development of the project work

the teacher, however, records the lessons on the TEAMS platform even if the platform itself often presents technical problems regarding the stability of the connection and the regularity and completeness of the recordings

Modalità d'esame

Esame (orale):

 

  1. a) durante l'esame il docente effettua la revisione della relazione di progetto e un'adeguata discussione di metodi, risultati, soluzioni tecniche fornite nella relazione può far parte dell'esame stesso (50%-60% del punteggio totale)

 

  1. b) gli studenti dovranno risolvere almeno due esercizi tecnici (possibili argomenti: ambienti spaziali, dinamica deterministica o casuale di sistemi discreti e/o continui, approccio statistico per la definizione dei carichi e dei requisiti di resistenza, semplici applicazioni di analisi tensionale e criteri di verifica per problemi meccanici sistemi, giunti bullonati, giunti saldati, fatica dei materiali metallici, meccanica della frattura dei materiali metallici, teoria delle sollecitazioni da contatto, cenni di base sull'analisi degli ingranaggi, velocità critiche degli alberi rotanti (40%-50% del punteggio totale)

 

in genere l'esame ha una durata di due o tre ore

Assessment methods

Oral exam:

a) during the exam the teacher performs the revision of the project report and a suitable discussion of methods, results, technical solutions provided in the report can be part of the exam itself (50%-60% of total score)

b) students must solve at least two technical exercises (possible topics: spacecraft environments, deterministic or random dynamics of discrete and/or continuous system, statistical approach for the definition of loads and strength requirements, simple applications of stress analysis and verification criteria for mechanical systems, bolted joints, welded joints, fatigue of metallic materials, fracture mechanics of metallic materials, contact stress theory, basic notes on gear analysis, critical speeds of rotating shafts (40%-50% of total score)

in general the exam has a duration of two or three hours

 

Stage e tirocini

Per gli studenti del corso non sono previsti a programma stage o tirocini formativi ma il docente del corso più volte è stato tutor di tirocini aziendali associati allo svolgimento della tesi di laurea magistrale

Quando a conoscenza del docente, avvisi a riguardo per gli studenti (ad esempio di ARIANE GROUP) vengono inseriti sul portale e-learning

Work placement

For the students of the course there are no internships or training courses in the program but the course teacher has been tutor of company internships associated with the completion of the master's degree thesis several times

When aware of the teacher, notices in this regard for students (for example from ARIANE GROUP) are inserted on the e-learning portal

Ultimo aggiornamento 06/11/2023 09:41