50008 - AFFIDABILITA' E SICUREZZA DELLE COSTRUZIONI MECCANICHE

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Imprese innovazione e infrastrutture Consumo e produzione responsabili

Anno Accademico 2020/2021

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente ha gli strumenti per poter affrontare e risolvere problematiche di affidabilità con particolare attenzione alle specificità che sono insite nella costruzione dei sistemi meccanici. Nell'ambito del corso vengono forniti alcuni strumenti e metodi per poter valutare l'affidabilità dei componenti e dei sistemi meccanici: strumenti e metodi basati sul calcolo probabilistico e statistico, strumenti e metodi per il controllo statistico della qualità dei prodotti e dei processi, strumenti e metodi per lo studio e l'analisi probabilistica e stocastica dei componenti meccanici e la modellazione dei loro modi di guasto, strumenti per l'analisi affidabilistica dei sistemi meccanici e meccattronici complessi tenendo conto degli eventuali interventi di manutenzione.

Contenuti

Nel corso sono infatti forniti i concetti essenziali riguardo molti degli strumenti e dei metodi di Gestione Totale della Qualità (‘Total Quality Management’) con i quali diventa possibile valutare la qualità, affidabilità e sicurezza di componenti meccanici/meccatronici, presi in forma isolata oppure all’interno di sistemi complessi.

Questi strumenti e metodi di cui si andrà a trasferire la conoscenza, sono fondamentalmente basati sui concetti di calcolo stocastico e probabilistico, di controllo statistico della qualità, di analisi di inferenza, di individuazione dei modi di guasto, e sono presentati anche tenendo conto degli effetti di eventuali interventi di manutenzione correttiva o programmata.

Le lezioni prenderanno avvio introducendo il concetto di affidabilità ingegneristica, quale parte di un approccio più generale al miglioramento della qualità industriale: come si definisce, come si è trasformata nel tempo, come si calcola concretamente, cosa rappresentano le dizioni MTTF (‘Mean Time To Failure’) nei sistemi non riparabili e MTBF (‘Mean Time Between Failures’) nei sistemi riparabili. Si entra nel dettaglio delle principali funzioni in grado di descrivere il comportamento di un sistema industriale in termini di probabilità di danno attraverso: densità di guasto, (in)affidabilità, rateo di guasto, e si mostra come procedere per il loro calcolo a partire da conoscenze sui modelli e/o dai dati di rottura. Si approfondiscono i temi avanzati relativi alle forme delle funzioni densità di probabilità, di probabilità cumulata di danno, di affidabilità condizionata, anche attraverso l’utilizzo di ‘stimatori non-parametrici’ e ‘stimatori parametrici’. In questo ultimo caso, si presenteranno alcuni dei più comuni modelli di approssimazione statistica dei dati di guasto (es. distribuzioni Esponenziale, Normale, Lognormale, Weibull) fornendo le tecniche per il loro corretto utilizzo (carte di affidabilità, regressione lineare, ecc.). Si mostrerà cosa accade nel calcolo di affidabilità nel caso di MTTF e rateo di guasti per sistemi in serie e in parallelo, fino al caso di sistemi in ridondanza generica k su n oppure con stand-by (‘caldo’ e ‘freddo’). In tal senso, si accenna agli approcci più evoluti per lo studio affidabilistico di sistemi complessi, compreso metodi di ‘decomposizione’ (o del ‘key-item’) mediante tecniche di semplificazione logica (‘minimal path sets’ e ‘minimal cut sets’) nella determinazione dei limiti inferiore e superiore di affidabilità.

Sempre in una ottica di Gestione Totale della Qualità, saranno presentati, ma anche utilizzati in esempi reale e ‘case-study’ industriali, i principali metodi di progettazione orienta alla affidabilità e sicurezza, compreso approcci legati alle scomposizioni logiche e funzionali. Si proporranno, in particolare, strumenti quali la Casa della Qualità (‘Qualify Function Deployment’), TRIZ, Ingegneria Concorrente (), Albero degli Eventi (‘Event Tree’) , diagrammi di Hishikawa, Albero dei Guasti (‘Fault Tree Analysis’). Quest’ultimo strumento sarà presentato comprensivo di vari aspetti relativi a: applicabilità, procedura operativa, simbolistica, connettori logici, semplificazioni della struttura, stima dei valori, arrivando fino alla illustrazione di 3 diversi esempi presi da reali casi industriali.

In relazione agli strumenti di miglioramento della qualità di processo e progetto non mancheranno gli approfondimenti lo studio e l’applicazione diretta di FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) mediante definizione, generalità, finalità, composizione del team di lavoro. Determinazione del Risk Priority Number (Coefficiente di priorità di rischio, RPN). Questo strumento sarà descritto in integrazione/comparazione con la FMECA (Failure Mode and Effect Criticality Analysis), secondo lo Standard Militare MIL-STD-1629A: definizione dell'indice di severità di guasto, della probabilità di occorrenza, della matrice di criticità, dell'indice di criticità per le singole modalità di guasto e per i componenti, determinazione dei ranking di criticità per classe di severità.

Saranno presentati, infine, tanto in termini di concetti generali che di esempi applicativi, diversi strumenti relativi al controllo di qualità industriale quali le carte di controllo, i piani di campionamento, i criteri di accettazione, specificando come ciascuno di essi rientri in un approccio deterministico oppure statistico.

Le esercitazioni pratiche verteranno:

  • Analisi statistiche dei dati sperimentali
  • Determinazione del rateo di guasto in base ai tempi di rottura
  • Esecuzione ed applicazioni industriali della FTA
  • Esecuzione ed applicazioni industriali della FMECA

Testi/Bibliografia

l docente fornisce durante in corso tutto il materiale necessario alla preparazione dell'esame in forma di dispense. Mette a disposizione le presentazioni mostrate a lezione ed i fogli di calcolo utilizzati a lezione. Fornisce inoltre almeno un esempio dei vari esercizi che potrebbero essere presenti durante l'esame. Di norma, non è quindi richiesto ulteriore materiale.

A titolo di eventuale approfondimento, si suggeriscono testi quali:

A. Freddi, Imparare a progettare. Principi e metodi del progetto concettuale per lo sviluppo della creatività industriale, Pitagora Editrice, 2005, ISBN: 8837115121

S. Beretta, Affidabilità delle costruzioni meccaniche, Springer, 2008, ISBN: 978-88-470-1078-9

P.D. Berger, R.E. Maurer, Experimental design with applications in management, engineering and the sciences, Duxbury Press, Belmont, CA, 2002, ISBN: 0-534-35822-5

R.C. Michelini, R.P. Razzoli, Affidabilità e sicurezza del manufatto industriale. La progettazione integrata per lo sviluppo sostenibile, Editrice Tecniche Nuove, 2000, ISBN: 8848110851

Metodi didattici

Lezioni saranno svolte con proiezione di slide. Alcune ore saranno riservate ad esercitazione di gruppo ed individuali.

 

Successione dei temi di lezione:

 

Introduzione generale alla qualità industriale:

  • definizione ed evoluzione storica del concetto di “Qualità”
  • la moderna idea di qualità
  • qualità e profitto
  • andamento dei costi al modificarsi del livello di qualità
  • arco di sviluppo dei prodotti
  • Gestione Totale della Qualità

Qualità e Certificazione:

  • dalla ricerca di qualità alla certificazione di qualità
  • prescrizioni generali per l’approvazione
  • certificazione di prodotto
  • certificazione di qualità aziendale
  • normative ISO 9000 e VISION 2000

Dalla Qualità industriale ai concetti applicati di affidabilità e sicurezza:

  • l’applicazione pratica dei concetti di qualità
  • qualità di progetto: la progettazione al servizio della qualità
  • qualità di prodotto: il processo è sotto controllo
  • qualità di processo: una ingegneria per la manutenzione
  • quando la qualità vuol dire sicurezza

Strumenti e metodologie per la ricerca di qualità:

  • legame tra i concetti: affidabilità, disponibilità, manutenibilità, garanzia, normative,
  • inquadramento generale degli strumenti di qualità lungo il ciclo di vita di prodotto
  • progettazione Sequenziale e Simultanea
  • Robust Design
  • Design for X
  • TRIZ come strumento “atipico” di supporto alla progettazione

Sviluppo di Funzioni di Qualità nella progettazione:

  • individuazione di idee e pianificazione del prodotto
  • analisi delle richieste
  • bisogni attesi, espressi, inespressi e eccitati
  • Empatic Design
  • analisi funzionale
  • chiarificazione del compito

 

Quality Function Deployment (QFD) nello sviluppo di funzioni di qualità nella progettazione:

  • metodologia QFD come strumento di sintesi
  • matrice relazionale e matrice interrazionale
  • albero degli obbiettivi
  • rateo tecnico e rateo economico
  • visualizzazione delle informazioni a “Casa della Qualità”

L’utilizzo pratico del QFD nella progettazione:

  • progetto concettuale di un terminale per idropulitrice
  • progetto concettuale di una macchinetta del caffè
  • progetto concettuale di bicicletta innovativa (lavoro di gruppo)

 

Analisi di criticità attraverso FMECA:

  • descrizione generale dello strumento FMEA
  • composizione del team di lavoro e distinzione di ruolo dei partecipanti
  • differenze tra FMEA e FMECA
  • differenze FMECA di processo e progetto
  • definizione di severità (S), probabilità (P) e rilevabilità (R)
  • modalità di scelta dei coefficienti S/P/R
  • definizione dell’indice di rischio
  • definizione dei limiti di intervento

L’impiego della FMECA a supporto della progettazione:

  • esempio di FMECA di processo: giunzione per circuito frigorifero
  • esempio di FMECA di prodotto: bicicletta (mediante lavoro di gruppo)

L’utilizzo pratico della FMECA per i miglioramenti di affidabilità e sicurezza:

  • esempio di FMECA per componenti: scambiatore ferroviario (ALSTOM)
  • esempio di FMECA per funzioni: collettore automobilistico (Magneti Marelli)

 

Analisi di probabilità di evento attraverso FTA:

  • descrizione di dettaglio dello strumento Fault Tree Analysis
  • definizione del Top Event
  • metodologia di calcolo delle probabilità di evento
  • running unit e calendar unit
  • probabilità di evento per sistemi in serie e in parallelo

L’utilizzo pratico della FTA nel miglioramento di affidabilità e sicurezza:

  • FTA come strumento di riprogettazione: motore per aviogetto (FIAT Avio)
  • FTA per analisi di affidabilità: impianto di fonderia (SCM Group)
  • FTA per la stima dei costi in garanzia: centro di lavoro CNC (SCM Group)

Utilizzo integrato degli strumenti FMECA e FTA:

  • confronto tra FMECA e FTA: similitudini, differenze
  • -vantaggi e difficoltà nell’utilizzo integrato di FMECA e FTA
  • esempio di applicazione integrata di FMECA e FTA: impianto di fonderia(SCM Group)

    Approfondimenti sull’impiego della FMECA in ambito industriale:

  • scomposizione funzionale
  • matrice degli effetti
  • analisi critica della tabella FMECA
  • adozione dei criteri di intervento
  • riesame critico delle procedure aziendali

Elementi di statistica:

  • concetti base di statistica (variabili casuali, istogrammi, eventi indipendenti)

    - parametri statistici (valore atteso, varianza, moda, mediana)

    - parametri statistici di secondo ordine (deviazione standard, varianza)

    - parametri statistici di ordine superiore

    - probabilità semplice (definizioni e assunzioni)

    - probabilità condizionata (definizione e teorema di Bayes)

    - il gioco dei dadi

    - esempi numerici sull’analisi statistica di dati

  • creazione di fogli di calcolo Excel per studi statistici

Funzioni probabilistiche:

  • funzioni di distribuzione discrete (binomiale, Poisson)

    - funzioni di distribuzione continue (esponenziale, normale, log-normale, Weibull, Gamma)

    - media e varianza in funzioni continue

    - cenni al Teorema del Limite Centrale

  • creazione di fogli di calcolo Excel per la rappresentazione delle funzioni probabilistiche

Le funzioni di affidabilità:

  • definizione di densità di guasto
  • definizione di affidabilità ed inaffidabilità
  • definizione di rateo di guasto
  • tempo medio al guasto (MTTF)
  • relazioni tra le funzioni di affidabilità
  • altre considerazioni essenziali sulle funzioni di affidabilità

Le funzioni di distribuzione utilizzate nelle metodologie affidabilistiche:

  • modelli a rateo di guasto costante (Esponenziale)
  • modelli a rateo di guasto funzione del tempo (Normale, Lognormale, Weibull)
  • modello teorico a “vasca da bagno”
  • allontanamento dei sistemi reali dal modello teorico
  • esempi su sistemi reali che rispondono ai modelli illustrati

Analisi dei dati di rottura:

  • analisi di insiemi completi
  • funzioni di distribuzione empiriche
  • scelta delle funzioni di distribuzione teoriche approssimanti
  • cenni sui metodi di stima dei parametri
  • cenni sui metodi di calcolo degli errori
  • creazione di fogli di calcolo di supporto per l’analisi affidabilistica di dati di rottura
  • esempi applicativi di analisi affidabilistica dei dati di rottura

Analisi di dati di guasto con censure :

  • gli insiemi con censure

    - sistemi con censure singole (left e right)

    - sistemi con censure multiple

    - sistemi con censure rispetto al tempo, al guasto

    - sistemi con censure su un asse di tempo continuo o a intervalli

    - funzioni di distribuzione empiriche per dati con i vari tipi di censura (diversi metodi)

    - creazione di fogli di calcolo

    - esempi applicativi di analisi

    - cause di guasto indipendenti

    - cause di guasto concorrenti

  • esempi applicativi e fogli di calcolo

    Teoria della Stima:

  • metodi stima dei parametri della distribuzione

- metodo dei “Momenti”

- metodo del “Best Fit”

- metodo della “Massima verosimiglianza“

- grafici di linearizzazione

- utilizzo delle carte Normale, Esponenziale, di Weibull

- cenni sulla differenza tra regressioni in X e in Y

- cenni sulla stima dell’errore di approssimazione

- esempi numerici

Affidabilità di sistemi riparabili:

  • sistemi riparabili

    - differenza concettuale tra affidabilità e disponibilità

    - tempo medio tra i guasti (MTBF)

    - manutenzione a guasto, preventiva o predittiva

    - manutenzione orientata all’affidabilità

    - importanza della simulazione Montecarlo

    - esempio di algoritmi di calcolo utilizzati nei processi Montecarlo

  • Il controllo statistico di processo:
  • aleatorietà delle variabili

- inferenza statistica di carico e resistenza

- progettazione stocastica

- margine di sicurezza

- utilizzo delle tabella per la stima dei percentili

- cenni ai piani di campionamento

L’adozione del sistema di qualità in un contesto di grande azienda:

  • il caso Magneti Marelli

    - sistema di qualità

    - Design Review

    - Design verification plan

    - validazione sperimentale

  • utilizzo del calcolo FEM per analisi di affidabilità e sicurezza

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame consta di una prova scritta ed una orale, da sostenere nello stesso giorno. Entrambe le prove devono essere superate con successo per arrivare a definire un voto finale.

I 6 appelli previsti saranno effettuati 3 nell'appello invernale, subito dopo il corso, 2 nell'appello estivo, 1 nell'appello autunnale. Ciascun appello è intervallato da non meno di 2 settimane. Non sono previsti appelli aggiuntivi. Si segnala che i primi 2 appelli risultano di solito molto affollati.

Lo scritto, della durata media di due ore, comprende solitamente la risoluzione di uno o più esercizi numerici su uno o più argomenti del corso. In particolare, le tematiche più frequenti sono relative: Analisi dei Dati di Guasto, Analisi Affidabilità di Sistemi, Analisi Inferenziali (mediante Carte Normali). Esercizi identici vengono proposti all'interno del corso e sono comunque disponibili tra il materiale fornito. Di conseguenza, per superare lo scritto è necessario saper almeno impostare correttamente tutti gli esercizi forniti. Durante la prova è possibile consultare libri, appunti o altro materiale didattico/informativo (ma non i colleghi). si rende spesso necessaria una calcolatrice per accelerare calcoli piuttosto semplici.

La correzione dello scritto avviene durante l'orale, momento nel quale lo studente che lo desidera può motivare le assunzioni scelte per la risoluzione dello stesso o spiegare eventuali errori.

L'orale verte su non meno di 3 domande di teoria relative ai soli argomenti trattati nel corso dal docente (e non relativi ad eventuali seminari), nonché sulle principali fasi del lavoro di gruppo (su applicazione di QFD, FMECA, FTA). Per agevolare la correzione, potrebbe essere richiesto di rispondere ad alcune delle domande in forma scritta.

Strumenti a supporto della didattica

Dispense e presentazioni fornite dal docente, che coprono l'intero programma.

Link ad altre eventuali informazioni

https://www.dropbox.com/sh/xxuv481s6iig1t7/AACiaxmvURakLjZeBCwJlfXsa?dl=0

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Cristiano Fragassa