Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Spectrum shaping and its application: spread-spectrum clock generator and circuits for ultra wide band

Electromagnetic spectrum can be identified as a resource for the designer, as well as for the manufacturer, from two complementary points of view: first, because it is a good in great demand by many different kind of applications; second, because despite its scarce availability, it may be advantageous to use more spectrum than necessary. This is the case of Spread-Spectrum Systems, those systems in which the transmitted signal is spread over a wide frequency band, much wider, in fact, than the minimum bandwidth required to transmit the information being sent. Part I of this dissertation deals with Spread-Spectrum Clock Generators (SSCG) aiming at reducing Electro Magnetic Interference (EMI) of clock signals in integrated circuits (IC) design. In particular, the modulation of the clock and the consequent spreading of its spectrum are obtained through a random modulating signal outputted by a chaotic map, i.e. a discrete-time dynamical system showing chaotic behavior. The advantages offered by this kind of modulation are highlighted. Three different prototypes of chaos-based SSCG are presented in all their aspects: design, simulation, and post-fabrication measurements. The third one, operating at a frequency equal to 3GHz, aims at being applied to Serial ATA, standard de facto for fast data transmission to and from Hard Disk Drives. The most extreme example of spread-spectrum signalling is the emerging ultra-wideband (UWB) technology, which proposes the use of large sections of the radio spectrum at low amplitudes to transmit high-bandwidth digital data. In part II of the dissertation, two UWB applications are presented, both dealing with the advantages as well as with the challenges of a wide-band system, namely: a chaos-based sequence generation method for reducing Multiple Access Interference (MAI) in Direct Sequence UWB Wireless-Sensor-Networks (WSNs), and design and simulations of a Low-Noise Amplifier (LNA) for impulse radio UWB. This latter topic was studied during a study-abroad period in collaboration with Delft University of Technology, Delft, Netherlands.

Sul comportamento dinamico di macchine fresatrici in alcune condizioni critiche di lavorazione

Questa tesi affronta lo studio di una tipologia di vibrazione autoeccitata, nota come chatter, che si manifesta nei processi di lavorazione ad asportazione di truciolo ed in particolare nelle lavorazioni di fresatura. La tesi discute inoltre lo sviluppo di una tecnica di monitoraggio e diagnostica del chatter basato sul rilievo di vibrazioni. Il fenomeno del chatter è caratterizzato da violente oscillazioni tra utensile e pezzo in lavorazione ed elevate emissioni acustiche. Il chatter, se non controllato, causa uno scadimento qualitativo della finitura superficiale e delle tolleranze dimensionali del lavorato, una riduzione della vita degli utensili e dei componenti della macchina. Questa vibrazione affligge negativamente la produttività e la qualità del processo di lavorazione e pregiudica l’interazione uomo-macchina-ambiente. Per una data combinazione di macchina, utensile e pezzo lavorato, i fattori che controllano la velocità di asportazione del materiale sono gli stessi che controllano l’insorgenza del chatter: la velocità di rotazione del mandrino, la profondità assiale di passata e la velocità di avanzamento dell’utensile. Per studiare il fenomeno di chatter, con l’obbiettivo di individuare possibili soluzioni per limitarne o controllarne l’insorgenza, vengono proposti in questa tesi alcuni modelli del processo di fresatura. Tali modelli comprendono il modello viscoelastico della macchina fresatrice e il modello delle azioni di taglio. Per le azioni di taglio è stato utilizzato un modello presente in letteratura, mentre per la macchina fresatrice sono stati utilizzato modelli a parametri concentrati e modelli modali analitico-sperimentali. Questi ultimi sono stati ottenuti accoppiando un modello modale sperimentale del telaio, completo di mandrino, della macchina fresatrice con un modello analitico, basato sulla teoria delle travi, dell’utensile. Le equazioni del moto, associate al processo di fresatura, risultano essere equazioni differenziali con ritardo a coefficienti periodici o PDDE (Periodic Delay Diefferential Equations). È stata implementata una procedura numerica per mappare, nello spazio dei parametri di taglio, la stabilità e le caratteristiche spettrali (frequenze caratteristiche della vibrazione di chatter) delle equazioni del moto associate ai modelli del processo di fresatura proposti. Per testare i modelli e le procedure numeriche proposte, una macchina fresatrice CNC 4 assi, di proprietà del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche Nucleari e Metallurgiche (DIEM) dell’Università di Bologna, è stata strumentata con accelerometri, con una tavola dinamometrica per la misura delle forze di taglio e con un adeguato sistema di acquisizione. Eseguendo varie prove di lavorazione sono stati identificati i coefficienti di pressione di taglio contenuti nel modello delle forze di taglio. Sono stati condotti, a macchina ferma, rilievi di FRFs (Funzioni Risposta in Frequenza) per identificare, tramite tecniche di analisi modale sperimentale, i modelli del solo telaio e della macchina fresatrice completa di utensile. I segnali acquisiti durante le numerose prove di lavorazione eseguite, al variare dei parametri di taglio, sono stati analizzati per valutare la stabilità di ciascun punto di lavoro e le caratteristiche spettrali della vibrazione associata. Questi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti applicando la procedura numerica proposta ai diversi modelli di macchina fresatrice implementati. Sono state individuate le criticità della procedura di modellazione delle macchine fresatrici a parametri concentrati, proposta in letteratura, che portano a previsioni erronee sulla stabilità delle lavorazioni. È stato mostrato come tali criticità vengano solo in parte superate con l’utilizzo dei modelli modali analitico-sperimentali proposti. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato proposto un sistema automatico, basato su misure accelerometriche, per diagnosticare, in tempo reale, l’insorgenza del chatter durante una lavorazione. È stato realizzato un prototipo di tale sistema di diagnostica il cui funzionamento è stato provato mediante prove di lavorazione eseguite su due diverse macchine fresatrici CNC.

Il linguaggio degli ambienti virtuali culturali: comunicare la storia di Bologna attraverso il progetto Nu.M.E.

The contemporary media landscape is characterized by the emergence of hybrid forms of digital communication that contribute to the ongoing redefinition of our societies cultural context. An incontrovertible consequence of this phenomenon is the new public dimension that characterizes the transmission of historical knowledge in the twenty-first century. Awareness of this new epistemic scenario has led us to reflect on the following methodological questions: what strategies should be created to establish a communication system, based on new technology, that is scientifically rigorous, but at the same time engaging for the visitors of museums and Internet users? How does a comparative analysis of ancient documentary sources form a solid base of information for the virtual reconstruction of thirteenth century Bologna in the Metaverse? What benefits can the phenomenon of cross-mediality give to the virtual heritage? The implementation of a new version of the Nu.M.E. project allowed for answering many of these instances. The investigation carried out between 2008 and 2010 has shown that, indeed, real-time 3D graphics and collaborative virtual environments can be feasible tools for representing philologically the urban medieval landscape and for communicating properly validated historical data to the general public. This research is focused on the study and implementation of a pipeline that permits mass communication of historical information about an area of vital importance in late medieval Bologna: Piazza di Porta Ravegnana. The originality of the developed project is not limited solely to the methodological dimension of historical research. Adopted technological perspective is an excellent example of innovation that digital technologies can bring to the cultural heritage. The main result of this research is the creation of Nu.ME 2010, a cross-media system of 3D real-time visualization based on some of the most advanced free software and open source technologies available today free of charge.

Macchine esperienziali: Narrativa, cognizione e atto di lettura

La mia tesi si riallaccia al dibattito teorico-letterario contemporaneo sulla possibilità di un approccio cognitivo alla narrativa e alla letteratura in particolare. Essa si propone di esplorare il rapporto tra narrazione ed esperienza, ridefinendo il concetto di “esperienzialità” della narrativa introdotto da Monika Fludernik nel suo Towards a “Natural” Narratology (1996). A differenza di Fludernik, che ha identificato l’esperienzialità con la rappresentazione dell’esperienza dei personaggi, la mia trattazione assegna un ruolo di primo piano al lettore, cercando di rispondere alla domanda: perché leggere una storia è – o si costituisce come – un’esperienza? L’intuizione dietro tutto ciò è che le teorizzazioni dell’esperienza e della coscienza nella filosofia della mente degli ultimi venti anni possano gettare luce sull’interazione tra lettori e testi narrativi. Il mio punto di riferimento principale è la scienza cognitiva “di seconda generazione”, secondo cui l’esperienza è un relazionarsi attivo e corporeo al mondo. La prima parte del mio studio è dedicata all’intreccio tra la narrativa e quello che chiamo lo “sfondo esperienziale” di ogni lettore, un repertorio di esperienze già note ai lettori attraverso ripetute interazioni con il mondo fisico e socio-culturale. Mi soffermo inoltre sul modo in cui relazionarsi a un testo narrativo può causare cambiamenti e slittamenti in questo sfondo esperienziale, incidendo sulla visione del mondo del lettore. Mi rivolgo poi al coinvolgimento corporeo del lettore, mostrando che la narrativa può attingere allo sfondo esperienziale dei suoi fruitori anche sul piano dell’esperienza di base: le simulazioni corporee della percezione contribuiscono alla nostra comprensione delle storie, incidendo sia sulla ricostruzione dello spazio dell’ambientazione sia sulla relazione intersoggettiva tra lettori e personaggi. Infine, mi occupo del rapporto tra l’esperienza della lettura e la pratica critico-letteraria dell’interpretazione, sostenendo che – lungi dal costituire due modalità opposte di fruizione dei testi – esse sono intimamente connesse.

Controllo Vettoriale generalizzato per Macchine Elettriche Trifase

Nell’ambito della presente tesi verrà descritto un approccio generalizzato per il controllo delle macchine elettriche trifasi; la prima parte è incentrata nello sviluppo di una metodologia di modellizzazione generale, ossia in grado di descrivere, da un punto di vista matematico, il comportamento di una generica macchina elettrica, che possa quindi includere in sé stessa tutte le caratteristiche salienti che possano caratterizzare ogni specifica tipologia di macchina elettrica. Il passo successivo è quello di realizzare un algoritmo di controllo per macchine elettriche che si poggi sulla teoria generalizzata e che utilizzi per il proprio funzionamento quelle grandezze offerte dal modello unico delle macchine elettriche. La tipologia di controllo che è stata utilizzata è quella che comunemente viene definita come controllo ad orientamento di campo (FOC), per la quale sono stati individuati degli accorgimenti atti a migliorarne le prestazioni dinamiche e di controllo della coppia erogata. Per concludere verrà presentata una serie di prove sperimentali con lo scopo di mettere in risalto alcuni aspetti cruciali nel controllo delle macchine elettriche mediante un algoritmo ad orientamento di campo e soprattutto di verificare l’attendibilità dell’approccio generalizzato alle macchine elettriche trifasi. I risultati sperimentali confermano quindi l’applicabilità del metodo a diverse tipologie di macchine (asincrone e sincrone) e sono stati verificate nelle condizioni operative più critiche: bassa velocità, alta velocità bassi carichi, dinamica lenta e dinamica veloce.

Caratteristiche innovative nell'acquisizione di dati di informatica forense in ambienti virtuali

Come risposta positiva alle richieste provenienti dal mondo dei giuristi, spesso troppo distante da quello scientifico, si vuole sviluppare un sistema solido dal punto di vista tecnico e chiaro dal punto di vista giurico finalizzato ad migliore ricerca della verità. L’obiettivo ci si prefigge è quello di creare uno strumento versatile e di facile utilizzo da mettere a disposizione dell’A.G. ed eventualmente della P.G. operante finalizzato a consentire il proseguo dell’attività d’indagine in tempi molto rapidi e con un notevole contenimento dei costi di giustizia rispetto ad una normale CTU. La progetto verterà su analisi informatiche forensi di supporti digitali inerenti vari tipi di procedimento per cui si dovrebbe richiedere una CTU o una perizia. La sperimentazione scientifica prevede un sistema di partecipazione diretta della P.G. e della A.G. all’analisi informatica rendendo disponibile, sottoforma di macchina virtuale, il contenuto dei supporti sequestrati in modo che possa essere visionato alla pari del supporto originale. In questo modo il CT diventa una mera guida per la PG e l’AG nell’ambito dell’indagine informatica forense che accompagna il giudice e le parti alla migliore comprensione delle informazioni richieste dal quesito. Le fasi chiave della sperimentazione sono: • la ripetibilità delle operazioni svolte • dettare delle chiare linee guida per la catena di custodia dalla presa in carico dei supporti • i metodi di conservazione e trasmissione dei dati tali da poter garantire integrità e riservatezza degli stessi • tempi e costi ridotti rispetto alle normali CTU/perizie • visualizzazione diretta dei contenuti dei supporti analizzati delle Parti e del Giudice circoscritte alle informazioni utili ai fini di giustizia

Sviluppo di metodologie per l'analisi in tempo reale delle prestazioni di un motore automobilistico

Durante il periodo di dottorato, l’attività di ricerca di cui mi sono occupato è stata finalizzata allo sviluppo di metodologie per la diagnostica e l’analisi delle prestazioni di un motore automobilistico. Un primo filone di ricerca è relativo allo sviluppo di strategie per l’identificazione delle mancate combustioni (misfires) in un motore a benzina. La sperimentazione si è svolta nella sala prove della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, nei quali è presente un motore Fiat 1.200 Fire, accoppiato ad un freno a correnti parassite, e comandato da una centralina virtuale, creata mediante un modello Simulink, ed interfacciata al motore tramite una scheda di input/output dSpace. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, sono stati realizzati delle prove al banco in diverse condizioni di funzionamento (sia stazionarie, che transitorie), durante le quali sono stati indotti dei misfires, sia singoli che multipli. Durante tali test sono stati registrati i segnali provenienti sia dalla ruota fonica usata per il controllo motore (che, nel caso in esame, era affacciata al volano), sia da quella collegata al freno a correnti parassite. Partendo da tali segnali, ed utilizzando un modello torsionale del sistema motoregiunto-freno, è possibile ottenere una stima sia della coppia motrice erogata dal motore, sia della coppia resistente dissipata dal freno. La prontezza di risposta di tali osservatori è tale da garantirci la possibilità di effettuare una diagnosi misfire. In particolare, si è visto che l’indice meglio correlato ala mancata combustione risultaessere la differenza fra la coppia motrice e la coppia resistente; tale indice risulta inoltre essere quello più semplice da calibrare sperimentalmente, in quanto non dipende dalle caratteristiche del giunto, ma solamente dalle inerzie del sistema. Una seconda attività della quale mi sono occupato è relativa alla stima della coppia indicata in un motore diesel automobilistico. A tale scopo, è stata realizzata una campagna sperimentale presso i laboratori della Magneti Marelli Powertrain (Bologna), nella quale sono state effettuati test in molteplici punti motori, sia in condizioni di funzionamento “nominale”, sia variando artificiosamente alcuni dei fattori di controllo (quali Start of Injection, pressione nel rail e, nei punti ove è stato possibile, tasso di EGR e pressione di sovralimentazione), sia effettuando degli sbilanciamenti di combustibile fra un cilindro e l’altro. Utilizzando il solo segnale proveniente da una ruota fonica posta sul lato motore, e sfruttando un modello torsionale simile a quello utilizzato nella campagna di prove relativa alla diagnosi del misfire, è possibile correlare la componente armonica con frequenza di combustione della velocità all’armonica di pari ordine della coppia indicata; una volta stimata tale componente in frequenza, mediante un’analisi di tipo statistico, è possibile eseguire una stima della coppia indicata erogata dal motore. A completamento dell’algoritmo, sfruttando l’analisi delle altre componenti armoniche presenti nel segnale, è possibile avere una stima dello sbilanciamento di coppia fra i vari cilindri. Per la verifica dei risultati ottenuti, sono stati acquisiti i segnali di pressione provenienti da tutti e quattro i cilindri del motore in esame.