An New Energetic Approach to the Modeling of Human Joint Kinematics: Application to the Ankle

The objective of this dissertation is to develop and test a predictive model for the passive kinematics of human joints based on the energy minimization principle. To pursue this goal, the tibio-talar joint is chosen as a reference joint, for the reduced number of bones involved and its simplicity, if compared with other sinovial joints such as the knee or the wrist. Starting from the knowledge of the articular surface shapes, the spatial trajectory of passive motion is obtained as the envelop of joint configurations that maximize the surfaces congruence. An increase in joint congruence corresponds to an improved capability of distributing an applied load, allowing the joint to attain a better strength with less material. Thus, joint congruence maximization is a simple geometric way to capture the idea of joint energy minimization. The results obtained are validated against in vitro measured trajectories. Preliminary comparison provide strong support for the predictions of the theoretical model.

Studio Concettuale, Progettazione e Realizzazione di un Nuovo Rotatore Omerale per Protesi Mioelettriche di Arto Superiore

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

La risonanza olistica. Arte, pedagogia e scienza della voce nelle culture dello spettacolo

La ricerca impostata considera campi disciplinari specifici e distinti, verso la loro integrazione, mirando a produrre un avanzamento relativo alla scienza della voce attraverso la pratica e lo studio della sua applicazione in campo artistico. A partire dall’analisi delle teorie novecentesche relative alla fonazione nel mondo della scena (Antonin Artaud, Stanislavskij e altri) per giungere alle acquisizioni prodotte dalle terapie corporee e vocali (Tomatis, Lowen, Wilfart in particolare), Marco Galignano ha sviluppato un percorso originale che è passato inoltre attraverso lo studio della pratica di una serie di artisti contemporanei (tra cui Baliani, Belli, Bergonzoni, Jodorowski, Hera, Lucenti e Manfredini) e di pedagoghi e terapeuti (da Serge Wilfart al maestro Paolo Zedda). Galignano ha inoltre riferito, nel suo lavoro, gli esiti della sua personale esperienza di formatore, sviluppata a Bologna all’interno di diversi Dipartimenti dell’Università Alma Mater, del Conservatorio di Musica G.B. Martini, dell’Accademia di Belle Arti e del Teatro Duse in particolare. L’obiettivo della tesi è dunque quello di fondare le basi teoriche per una rinnovata pedagogia vocale, a partire dalla possibile riscoperta del suono naturale fino a giungere alle potenzialità terapeutiche ed artistiche del linguaggio. Gli obiettivi di questo lavoro contemplano l’istituzione di una nuova modalità pedagogica, la sua diffusione attraverso una presentazione opportunamente composta e la sua inscrizione in diverse occorrenze artistiche e professionali. Molte le personalità di spicco del panorama internazionale della scienza e dell’arte della voce che hanno contribuito, negli anni, alla presente ricerca: Francesca Della Monica, insegnante di canto e performer, Tiziana Fuschini, logopedista, Franco Fussi, foniatra, Silvia Magnani, foniatra ed esperta di teatro, Gianpaolo Mignardi, logopedista, Dimitri Pasquali, pedagogo, Livio Presutti, medico chirurgo otorinolaringoiatra, Simonetta Selva, medico dello sport, Serge Wilfart, terapeuta della voce, Paolo Zedda, professore di canto in diverse realtà e Maestro di dizione al Conservatorio Nazionale di Parigi, e molti altri, oltre agli artisti citati in fondo, con le loro ricerche hanno contribuito direttamente alla redazione dell’elaborato finale, che mira a fondare le basi di una rinnovata pedagogia vocale per il teatro in Italia. La ricerca vuole infatti colmare in parte la penuria di apporti scientifici specificamente rivolti alla formazione vocale dell’attore teatrale. II lavoro vorrebbe inoltre raccogliere l’eredita di quei teorici, maestri e registi-pedagoghi che nel Novecento hanno posto le basi per la formazione dell’attore, e al tempo stesso prolungare la linea genealogica che da Stanislavskji trascorre in Grotowski, senza escludere esperienze fondate su presupposti alternativi alla formazione del repertorio vocale del performer: psicofisicità, terapie olistiche, fisica quantistica. Come accennato, una parte della ricerca è stata condotta in collaborazione col Prof. Franco Fussi, correlatore, e grazie al lavoro di redazione nel gruppo della rivista Culture Teatrali, diretto da Marco De Marinis, relatore. II percorso ha inteso infatti sviluppare alcune delle linee di ricerca aperte da Fussi virandole verso lo specifico dell’attività e del training vocale dell’attore, e ha avuto una tappa di verifica rilevante nel Convegno Internazionale di Foniatria e Logopedia “La Voce Artistica” di cui Fussi è direttore, a cui Galignano ha partecipato in veste di relatore. 1. II concetto guida del lavoro di Galignano risiede nell’idea di vibrazione e nel rapporto che questa intrattiene col suono. Il suono, per l’essere umano, costituisce la base materiale della fonazione, del linguaggio codificato comunitariamente così come dei particolari idioletti in continua evoluzione, basi della comunicazione verbale e paraverbale. Il linguaggio umano è costituito principalmente da sonorità vocale e da articolazione consonantica (rumori), e cioè composto di suoni armonici e di rumori prodotti da apparati articolari del corpo che risultano efficaci solo se integrati nel corpo da cui originano. A partire da un tentativo di definizione di salute corporea e di equilibrio psicofisico, attraverso l’analisi della rigenerazione cellulare e delle dinamiche comportamentali, Galignano definisce scientificamente la lingua parlata come emersione di codici comunicativi che originano da una schematizzazione del mondo intimo-personale del soggetto e si fondano su memorie molecolari, sull’attitudine comportamentale abituale, tra spontaneità, automatismi e capacità episodica di attenzione psicofisica. Ciò costituisce, per Galignano, la “risonanza olistica” alla base dell’efficacia comunicativa in sede pedagogica. L’argomento, che verrà sviluppato per la presentazione editoriale dell’elaborato e di cui la tesi di dottorato è solo una prima tappa in fieri, è stato sviscerato anche sulla base di nozioni di fisica classica e di fisica quantistica. Ciò senza dimenticare gli studi approfonditi sulla vocalità in ambito filosofico, da Bologna a Cavarero, da Napolitano a Zumthor. La tesi è composta attraverso una progressione che, a partire da una dichiarazione di poetica, trascorre poi verso l’analisi della fisiologia e della psicologia della voce, per approdare a una zona di approfondimento scientifico, teorico ed empirico, di una serie di metodi d’avanguardia di abilitazione e riabilitazione. In ultimo, come appendice, vengono riferiti i risultati del percorso laboratoriale condotto nel corso degli anni del dottorato di ricerca. Le esperienze sul campo maturate nell’ambito dell’attività pedagogica e laboratoriale si sono inoltre sviluppate a partire da un Progetto Strategico d’Ateneo dell’Università di Bologna intitolato “La Voce nel Corpo. La Recitazione e il Movimento Coreografico”, di cui Marco Galignano è responsabile scientifico. Un tempo specifico della tesi di dottorato è dunque composto a partire dai risultati maturati attraverso le varie azioni, laboratoriali e artistiche, che fin qui il progetto “La Voce nel Corpo” ha prodotto. In definitiva, attraverso il tessuto composto da esperienze pedagogiche, pratica artistica e ricerca scientifica, la tesi di dottorato di Galignano, work in progress, mira a comporre un sistema integrato, teorico-pratico, per l’insegnamento e la trasmissione di una specifica tecnica vocale calata nella pratica attoriale, ma utile a fini ulteriori, da quello riabilitativo fino alle tecniche di cura del sé su cui s’e appuntata la riflessione filosofica erede della teoresi artaudiana. La parte conclusiva della ricerca riguarda i suoi possibili futuri sviluppi, specifici, impostati attraverso la collaborazione, attuale, passata o in divenire, con artisti quali Marco Baliani, Matteo Belli, Alessandro Bergonzoni, Albert Hera, Michela Lucenti, Danio Manfredini e altri a cui Marco Galignano è particolarmente riconoscente.

Valutazione dell'efficacia delle procedure di Pushover convenzionali, modali ed adattive applicate a telai piani in c.a. regolari ed irregolari in elevazione.

The research performed during the PhD and presented in this thesis, allowed to make judgments on pushover analysis method about its application in evaluating the correct structural seismic response. In this sense, the extensive critical review of existing pushover procedures (illustrated in chapter 1) outlined their major issues related to assumptions and to hypothesis made in the application of the method. Therefore, with the purpose of evaluate the effectiveness of pushover procedures, a wide numerical investigation have been performed. In particular the attention has been focused on the structural irregularity on elevation, on the choice of the load vector and on its updating criteria. In the study eight pushover procedures have been considered, of which four are conventional type, one is multi-modal, and three are adaptive. The evaluation of their effectiveness in the identification of the correct dynamic structural response, has been done by performing several dynamic and static non-linear analysis on eight RC frames, characterized by different proprieties in terms of regularity in elevation. The comparisons of static and dynamic results have then permitted to evaluate the examined pushover procedures and to identify the expected margin of error by using each of them. Both on base shear-top displacement curves and on considered storey parameters, the best agreement with the dynamic response has been noticed on Multi-Modal Pushover procedure. Therefore the attention has been focused on Displacement-based Adative Pushover, coming to define for it an improvement strategy, and on modal combination rules, advancing an innovative method based on a quadratic combination of the modal shapes (QMC). This latter has been implemented in a conventional pushover procedure, whose results have been compared with those obtained by other multi-modal procedures. The development of research on pushover analysis is very important because the objective is to come to the definition of a simple, effective and reliable analysis method, indispensable tool in the seismic evaluation of new or existing structures.

Dynamic identification of structures: experimental assessment of modal parameteres through methods in frequency domain, in time-frequency domain and model updating

Among the experimental methods commonly used to define the behaviour of a full scale system, dynamic tests are the most complete and efficient procedures. A dynamic test is an experimental process, which would define a set of characteristic parameters of the dynamic behaviour of the system, such as natural frequencies of the structure, mode shapes and the corresponding modal damping values associated. An assessment of these modal characteristics can be used both to verify the theoretical assumptions of the project, to monitor the performance of the structural system during its operational use. The thesis is structured in the following chapters: The first introductive chapter recalls some basic notions of dynamics of structure, focusing the discussion on the problem of systems with multiply degrees of freedom (MDOF), which can represent a generic real system under study, when it is excited with harmonic force or in free vibration. The second chapter is entirely centred on to the problem of dynamic identification process of a structure, if it is subjected to an experimental test in forced vibrations. It first describes the construction of FRF through classical FFT of the recorded signal. A different method, also in the frequency domain, is subsequently introduced; it allows accurately to compute the FRF using the geometric characteristics of the ellipse that represents the direct input-output comparison. The two methods are compared and then the attention is focused on some advantages of the proposed methodology. The third chapter focuses on the study of real structures when they are subjected to experimental test, where the force is not known, like in an ambient or impact test. In this analysis we decided to use the CWT, which allows a simultaneous investigation in the time and frequency domain of a generic signal x(t). The CWT is first introduced to process free oscillations, with excellent results both in terms of frequencies, dampings and vibration modes. The application in the case of ambient vibrations defines accurate modal parameters of the system, although on the damping some important observations should be made. The fourth chapter is still on the problem of post processing data acquired after a vibration test, but this time through the application of discrete wavelet transform (DWT). In the first part the results obtained by the DWT are compared with those obtained by the application of CWT. Particular attention is given to the use of DWT as a tool for filtering the recorded signal, in fact in case of ambient vibrations the signals are often affected by the presence of a significant level of noise. The fifth chapter focuses on another important aspect of the identification process: the model updating. In this chapter, starting from the modal parameters obtained from some environmental vibration tests, performed by the University of Porto in 2008 and the University of Sheffild on the Humber Bridge in England, a FE model of the bridge is defined, in order to define what type of model is able to capture more accurately the real dynamic behaviour of the bridge. The sixth chapter outlines the necessary conclusions of the presented research. They concern the application of a method in the frequency domain in order to evaluate the modal parameters of a structure and its advantages, the advantages in applying a procedure based on the use of wavelet transforms in the process of identification in tests with unknown input and finally the problem of 3D modeling of systems with many degrees of freedom and with different types of uncertainty.

Mixed Mode Fracture Behaviour of Piezoelectric Materials

Piezoelectrics present an interactive electromechanical behaviour that, especially in recent years, has generated much interest since it renders these materials adapt for use in a variety of electronic and industrial applications like sensors, actuators, transducers, smart structures. Both mechanical and electric loads are generally applied on these devices and can cause high concentrations of stress, particularly in proximity of defects or inhomogeneities, such as flaws, cavities or included particles. A thorough understanding of their fracture behaviour is crucial in order to improve their performances and avoid unexpected failures. Therefore, a considerable number of research works have addressed this topic in the last decades. Most of the theoretical studies on this subject find their analytical background in the complex variable formulation of plane anisotropic elasticity. This theoretical approach bases its main origins in the pioneering works of Muskelishvili and Lekhnitskii who obtained the solution of the elastic problem in terms of independent analytic functions of complex variables. In the present work, the expressions of stresses and elastic and electric displacements are obtained as functions of complex potentials through an analytical formulation which is the application to the piezoelectric static case of an approach introduced for orthotropic materials to solve elastodynamics problems. This method can be considered an alternative to other formalisms currently used, like the Stroh’s formalism. The equilibrium equations are reduced to a first order system involving a six-dimensional vector field. After that, a similarity transformation is induced to reach three independent Cauchy-Riemann systems, so justifying the introduction of the complex variable notation. Closed form expressions of near tip stress and displacement fields are therefore obtained. In the theoretical study of cracked piezoelectric bodies, the issue of assigning consistent electric boundary conditions on the crack faces is of central importance and has been addressed by many researchers. Three different boundary conditions are commonly accepted in literature: the permeable, the impermeable and the semipermeable (“exact”) crack model. This thesis takes into considerations all the three models, comparing the results obtained and analysing the effects of the boundary condition choice on the solution. The influence of load biaxiality and of the application of a remote electric field has been studied, pointing out that both can affect to a various extent the stress fields and the angle of initial crack extension, especially when non-singular terms are retained in the expressions of the electro-elastic solution. Furthermore, two different fracture criteria are applied to the piezoelectric case, and their outcomes are compared and discussed. The work is organized as follows: Chapter 1 briefly introduces the fundamental concepts of Fracture Mechanics. Chapter 2 describes plane elasticity formalisms for an anisotropic continuum (Eshelby-Read-Shockley and Stroh) and introduces for the simplified orthotropic case the alternative formalism we want to propose. Chapter 3 outlines the Linear Theory of Piezoelectricity, its basic relations and electro-elastic equations. Chapter 4 introduces the proposed method for obtaining the expressions of stresses and elastic and electric displacements, given as functions of complex potentials. The solution is obtained in close form and non-singular terms are retained as well. Chapter 5 presents several numerical applications aimed at estimating the effect of load biaxiality, electric field, considered permittivity of the crack. Through the application of fracture criteria the influence of the above listed conditions on the response of the system and in particular on the direction of crack branching is thoroughly discussed.

Evaluation of the effects of insertion of viscous dampers in Moment Resisting Frames

This research work faces the problem of insertion of viscous dampers into Moment Resisiting Frames (MRF) for maximum efficiency in mitigation of the seismic effects. The work would lead to a precise design indication. The fundamental result of the thesis consists in showing that, even for moment-resisting structures, you can design a system of added viscous dampers able to achieve target levels of performances. Ie given the reduction factor in the seismic response, discover the characteristics of the viscous dampers which allow to achieve it.

Crashworthiness and composite materials: development of an experimental test method for the energy absorption determination and implementation of the relative numerical model

In this PhD thesis the crashworthiness topic is studied with the perspective of the development of a small-scale experimental test able to characterize a material in terms of energy absorption. The material properties obtained are then used to validate a nu- merical model of the experimental test itself. Consequently, the numerical model, calibrated on the specific ma- terial, can be extended to more complex structures and used to simulate their energy absorption behavior. The experimental activity started at University of Washington in Seattle, WA (USA) and continued at Second Faculty of Engi- neering, University of Bologna, Forl`ı (Italy), where the numerical model for the simulation of the experimental test was implemented and optimized.

The prediction of flash evaporation in superheated fuel injections for automotive applications

In gasoline Port Fuel Injection (PFI) and Direct Injection (GDI) internal combustion engines, the liquid fuel might be injected into a gaseous ambient in a superheated state, resulting in flash boiling of the fuel. The importance to investigate and predict such a process is due to the influence it has on the liquid fuel atomization and vaporization and thus on combustion, with direct implications on engine performances and exhaust gas emissions. The topic of the present PhD research involves the numerical analysis of the behaviour of the superheated fuel during the injection process, in high pressure injection systems like the ones equipping GDI engines. Particular emphasis is on the investigation of the effects of the fuel superheating degree on atomization dynamics and spray characteristics. The present work is a look at the flash evaporation and flash boiling modeling, from an engineering point of view, addressed to keep the complex physics involved as simple as possible, however capturing the main characteristics of a superheated fuel injection.

Analisi numerica della combustione di gas a basso potere calorifico per applicazioni a microturbine a gas

Il presente lavoro si occupa dell’analisi numerica di combustione di gas a basso potere calorifico (gas di sintesi derivanti da pirolisi di biomasse). L’analisi è stata condotta su due principali geometrie di camera di combustione. La prima è un bruciatore sperimentale da laboratorio adatto allo studio delle proprietà di combustione del singas. Esso è introdotto in camera separatamente rispetto ad una corrente d’aria comburente al fine di realizzare una combustione non-premiscelata diffusiva in presenza di swirl. La seconda geometria presa in considerazione è la camera di combustione anulare installata sulla microturbina a gas Elliott TA 80 per la quale si dispone di un modello installato al banco al fine dell’esecuzione di prove sperimentali. I principali obbiettivi conseguiti nello studio sono stati la determinazione numerica del campo di moto a freddo su entrambe le geometrie per poi realizzare simulazioni in combustione mediante l’utilizzo di diversi modelli di combustione. In particolare è stato approfondito lo studio dei modelli steady laminar flamelet ed unsteady flamelet con cui sono state esaminate le distribuzioni di temperatura e delle grandezze tipiche di combustione in camera, confrontando i risultati numerici ottenuti con altri modelli di combustione (Eddy Dissipation ed ED-FR) e con i dati sperimentali a disposizione. Di importanza fondamentale è stata l’analisi delle emissioni inquinanti, realizzata per entrambe le geometrie, che mostra l’entità di tali emissioni e la loro tipologia. Relativamente a questo punto, il maggior interesse si sposta sui risultati ottenuti numericamente nel caso della microturbina, per la quale sono a disposizione misure di emissione ottenute sperimentalmente. Sempre per questa geometria è stato inoltre eseguito il confronto fra microturbina alimentata con singas a confronto con le prestazioni emissive ottenute con il gas naturale. Nel corso dei tre anni, l’esecuzione delle simulazioni e l’analisi critica dei risultati ha suggerito alcuni limiti e semplificazioni eseguite sulle griglie di calcolo realizzate per lo studio numerico. Al fine di eliminare o limitare le semplificazioni o le inesattezze, le geometrie dei combustori e le griglie di calcolo sono state migliorate ed ottimizzate. In merito alle simulazioni realizzate sulla geometria del combustore della microturbina Elliott TA 80 è stata condotta dapprima l’analisi numerica di combustione a pieno carico per poi analizzare le prestazioni ai carichi parziali. Il tutto appoggiandosi a tecniche di simulazione RANS ed ipotizzando alimentazioni a gas naturale e singas derivato da biomasse. Nell’ultimo anno di dottorato è stato dedicato tempo all’approfondimento e allo studio della tecnica Large Eddy Simulation per testarne una applicazione alla geometria del bruciatore sperimentale di laboratorio. In tale simulazione è stato implementato l’SGS model di Smagorinsky-Lilly completo di combustione con modelli flamelet. Dai risultati sono stati estrapolati i profili di temperatura a confronto con i risultati sperimentali e con i risultati RANS. Il tutto in diverse simulazioni a diverso valore del time-step imposto. L’analisi LES, per quanto migliorabile, ha fornito risultati sufficientemente precisi lasciando per il futuro la possibilità di approfondire nuovi modelli adatti all’applicazione diretta sulla MTG.