Dimensionamento e modellazione di impianti per riscaldamento invernale di un edificio civile mediante il software ESP-r

Gli impianti di riscaldamento sono costituiti dalle seguenti parti: sistema di produzione (pompa di calore, caldaia, pannelli solari, gruppi frigoriferi, ecc), sistema di distribuzione (tubazioni necessarie a trasportare il fluido vettore ai terminali di utilizzo), sistema di erogazione (i radiatori, oppure i ventilconvettori, i pannelli radianti a pavimento, a parete, a soffitto, etc.), sistema di regolazione, sistema di accumulo. L’impianto da inserire deve bilanciare le dispersioni termiche dell’edificio, che dipendono essenzialmente dalla temperatura interna desiderata di 20°C, dalla temperatura esterna, dall’isolamento e dal volume da riscaldare. L’obiettivo della tesi è analizzare il risultato raggiunto dal punto di vista del benessere ambientale e del consumo energetico trascurando l’aspetto della fattibilità dell’impianto e del costo che quest’ultimo può avere.

Uso di modelli matematici per l'ottimizzazione dei processi e dell'efficienza energetica di un impianto di depurazione a fanghi attivi.

La tesi analizza la risposta di modello matematico biologico (ASM1) applicato ad un impianto di depurazione in scala pilota al fine di conoscere la risposta del sistema in seguito alla variazione delle condizioni iniziali e, in funzione dei risultati ottenuti, ipotizzare ed applicare diverse strategie di controllo tramite le quali ottimizzare l’efficienza dell’impianto, riducendo i costi in termini economici ed energetici e migliorando la qualità dell’effluente.

Caratterizzazione sperimentale di dispositivi antivibranti e ottimizzazione del loro impiego su un auto da F1

Studio di alcuni dispositivi presenti nelle vetture di formula 1, ma anche in quelle di serie più comuni, per l’ancoraggio e per l’isolamento delle vibrazioni fra componentistiche elettriche e telaio del veicolo. Questi dispositivi, noti come antivibranti (AV), svolgono un ruolo essenziale nel cercare di preservare i dispositivi elettrici: centraline, scatole cablate e connessioni elettriche. Il diffondersi di strumentazione adeguata a costi non più proibitivi ha permesso di studiare più in dettaglio e più scientificamente il comportamento degli AV per sfruttarli al meglio. Obiettivo di questo studio è dare una caratterizzazione scientifica e rigorosa alla maggior parte degli antivibranti presenti in STR7 monoposto Toro Rosso (mondiale di F1 2012), buona parte dei quali verrà utilizzata anche nelle successive vetture. Si volevano, inoltre, sviluppare alcuni modelli che potessero simulare correttamente montaggi di centraline generiche con tutte le diverse tipologie di antivibranti, in modo tale da poter vedere, prima ancora di realizzarli, come si comportavano i sistemi in quelle condizioni e dunque poter apportare modifiche al progetto tali da ottenere la configurazione di montaggio migliore. La continua ricerca di miglioramenti prestazionali che una competizione motoristica ad altissimi livelli richiede, il costante bisogno di alleggerimenti e maggiore affidabilità spingono la ricerca e l'azienda voleva passare da una progettazione basata sulla ripetizione delle configurazioni dimostratesi affidabili nel passato ad una progettazione più tecnica, scientifica e prestazionale. Per una buona caratterizzazione delle proprietà degli antivibranti sono stati progettati specifici test da eseguire al banco vibrante con i quali, lavorando nel dominio delle frequenze, si sono sfruttate le funzioni di risposte in frequenze di ogni antivibrante per ricavare i parametri caratteristici degli stessi nelle varie configurazioni. Con strategie grafiche, numeriche e teoriche si sono ricavati, con buone precisioni, i valori dei coefficienti di smorzamento e di rigidezza che caratterizzano i componenti studiati. Per l’esecuzione di questi test sono stati utilizati tutti gli strumenti messi a disposizione da Scuderia Toro Rosso nel laboratorio per prove vibrazionali recentemente approntato. Per la parte di simulazione numerica invece sono stati sfruttati i risultati ottenuti nella caratterizzazione degli antivibranti per creare programmi in ambiente Matlab che possano simulare il comportamento di generiche centraline montate in generici modi. Risultati di questo studio saranno gli andamenti dei coefficienti di rigidezza e smorzamento dei vari antivibranti nelle diverse configurazioni; inoltre si renderanno disponibili ai progettisti istruzioni e semplici programmi per la valutazione delle scelte fatte al fine di minimizzare le vibrazioni dei dispositivi.

Verifiche numeriche dello stato di sollecitazione di una struttura alare di un velivolo ultraleggero

Lo scopo del progetto è di calcolare, tramite un modello agli elementi finiti, lo stato di sollecitazione delle parti costituenti l’ala di un velivolo ultraleggero, e di visualizzare i risultati della soluzione del calcolo in maniera grafica. L’aeromobile oggetto di studio è lo Yuma 912 S commercializzato da Alisport, un velivolo di categoria ULM (UltraLeggero Motorizzato) con capacità STOL (Short TakeOff and Landing – decollo ed atterraggio corti). Tutto il lavoro di progettazione, modellazione e calcolo è stato eseguito con un’unica tipologia di programma, CATIA V5, disponibile commercialmente, al fine di evitare conflitti tra diversi programmi CAD (per disegno assistito dal calcolatore) e CAE/FEA (per analisi ingegneristica del prodotto). Il lavoro si è articolato nelle seguenti fasi: progettazione assistita dal calcolatore, sviluppo del modello, valutazione della soluzione. I carichi introdotti nell’analisi sono stati scelti considerando le caratteristiche del velivolo ed il proprio diagramma di manovra, quindi calcolati in maniera teorica e successivamente applicati al modello in esame. La soluzione è stata poi visualizzata tramite simulazione della struttura deformata ed applicazione di una scala di colori sulle zone sottoposte ai diversi stati di sollecitazione.

Progettazione e sviluppo di un RVE (Reconfigurable Virtual Environment) per applicazioni nei settori dell’ingegneria industriale

Il presente elaborato descrive la realizzazione, presso il Laboratorio di Realtà Virtuale e Simulazione della Seconda Facoltà di Ingegneria, di un RVE (Reconfigurable Virtual Environment), per applicazioni nei settori dell’ingegneria industriale. La tesi ripercorre la fase di progettazione del sistema basato sull'integrazione di componenti COTS. E' definito, inoltre, un insieme di applicazioni target nei settori dell'ingegneria industriale di cui si valuta la compatibilità con il Virtual Environment. L'elaborato si conclude con la presentazione dei risultati e dei possibili sviluppi futuri.

Analisi dell'interazione terreno-struttura per la progettazione di una fondazione su pali di una pila da ponte

Analisi dell'interazione terreno-struttura nel caso di palo singolo caricato assialmente e perpendicolarmente all'asse. Studio analitico e modellazione agli elementi finiti, bidimensionale e tridimensionale. Analisi dell'interazione platea-pali-terreno nel caso di platea su pali. Studio analitico e modellazione agli elementi finiti, bidimensionale e tridimensionale.

Micro-FEM models based on micro-CT reconstructions for the in vitro characterization of the elastic properties of trabecular bone tissue.

This master’s thesis describes the research done at the Medical Technology Laboratory (LTM) of the Rizzoli Orthopedic Institute (IOR, Bologna, Italy), which focused on the characterization of the elastic properties of the trabecular bone tissue, starting from october 2012 to present. The approach uses computed microtomography to characterize the architecture of trabecular bone specimens. With the information obtained from the scanner, specimen-specific models of trabecular bone are generated for the solution with the Finite Element Method (FEM). Along with the FEM modelling, mechanical tests are performed over the same reconstructed bone portions. From the linear-elastic stage of mechanical tests presented by experimental results, it is possible to estimate the mechanical properties of the trabecular bone tissue. After a brief introduction on the biomechanics of the trabecular bone (chapter 1) and on the characterization of the mechanics of its tissue using FEM models (chapter 2), the reliability analysis of an experimental procedure is explained (chapter 3), based on the high-scalable numerical solver ParFE. In chapter 4, the sensitivity analyses on two different parameters for micro-FEM model’s reconstruction are presented. Once the reliability of the modeling strategy has been shown, a recent layout for experimental test, developed in LTM, is presented (chapter 5). Moreover, the results of the application of the new layout are discussed, with a stress on the difficulties connected to it and observed during the tests. Finally, a prototype experimental layout for the measure of deformations in trabecular bone specimens is presented (chapter 6). This procedure is based on the Digital Image Correlation method and is currently under development in LTM.

Sviluppo e validazione di un codice per il calcolo e la verifica di edifici industriali in acciaio

In questa Tesi di Laurea viene presentata un’interessante esperienza di implementazione numerica: lo sviluppo di un codice agli elementi finiti in grado di calcolare, verificare e ottimizzare edifici industriali in acciaio. Al giorno d’oggi, la tendenza delle imprese nel campo dell’ingegneria strutturale ed in particolare nel campo dell’edilizia industriale, è quella della specializzazione. E’ sempre più frequente, ad esempio nel campo dei capannoni industriali, che le aziende concentrino la loro attività solo su determinate tipologie costruttive, sulle quali ottimizzano il lavoro riducendo al massimo i tempi di progettazione, di costruzione e abbassando il prezzo. Il mondo dei programmi di calcolo, per la maggior parte, sembra aver preso una direzione di sviluppo opposta. Le case di produzione software mettono a disposizione dei progettisti strumenti sempre più raffinati, capaci di modellare dettagliatamente qualsiasi tipo di struttura, materiale, azione statica o dinamica; spesso questi programmi contengono anche un codice integrato CAD per il disegno della struttura e altri tools per lasciare all’utente la più grande libertà di azione possibile. Se da un lato questi strumenti danno al progettista la possibilità di una modellazione sempre più dettagliata, dall’altra parte hanno il limite di essere poco pratici per un tipo di progettazione standardizzato. Spesso quello di cui le imprese hanno bisogno è invece un programma creato ‘ad hoc’ per le loro attività che, grazie all’inserimento di pochi parametri, possa garantire una progettazione rapida e magari gestire non solo la fase di calcolo, ma anche quella di verifica e di ottimizzazione. In quest’ottica si inserisce lo sviluppo del codice eseguito in questa tesi. L’esposizione si articola in quattro parti. La prima, introduttiva, è dedicata alla descrizione delle tipologie di edifici monopiano in acciaio maggiormente diffuse, dei diversi tipi materiale, dei principali aspetti della normativa per queste costruzioni. Viene inoltre descritta la tipologia costruttiva implementata nel codice sviluppato. Il secondo capitolo è dedicato alla descrizione del metodo agli elementi finiti, esponendone i fondamenti teorici e le principali fasi della costruzione di un codice di calcolo numerico per elementi monodimensionali. Nella terza parte è illustrato il codice sviluppato. In particolare vengono dettagliatamente descritti i moduli di generazione del modello, del solutore, del post-processore in grado di eseguire le verifiche secondo le normative vigenti, e quello dedicato all’ottimizzazione strutturale. In fine, nell’ultimo capitolo viene illustrato un esempio progettuale con il quale si è potuta effettuare la validazione del codice confrontando i risultati ottenuti con quelli di riferimento forniti da programmi attualmente in commercio. La presente dissertazione non mira alla “certificazione” di un software che sia in grado di fare calcoli complessi nell’ambito dell’ingegneria strutturale, ma lo scopo è piuttosto quello di affrontare le problematiche e gestire le scelte operative che riguardano la scrittura di un codice di calcolo. Programmatori non si nasce, ma si diventa attraverso anni di esperienza che permettono di acquisire quella sensibilità numerica che è definibile come una vera e propria “arte”. Ed è in questa direzione che si è svolta la Tesi, ovvero comprendere prima di tutto l’atteggiamento da assumere nei confronti di un elaboratore elettronico e, solo successivamente, passare ad un utilizzo consapevole per scopi progettuali.

Valutazione economica e funzionale dell'applicazione di un motore asincrono e di un motore coppia ad un estrusore di materie plastiche

Il concetto di “direct drive”, cioè l’applicazione diretta del motore all’utilizzatore, in modo da eliminare elementi di connessione intermedi (riduttori, pulegge, ecc…) con il vantaggio di migliorare il rendimento, ridurre gli ingombri, semplificare l’intera struttura, ridurre la manutenzione, è applicato con sempre maggior frequenza. L’azienda Graham Packaging Company Italia s.r.l. produce macchinari industriali per la produzione di packaging plastico, i quali montano un gruppo di estrusione a monte della macchina che alimenta il gruppo di soffiaggio: si possono, quindi, intuire alcuni vantaggi derivanti dall’applicazione del “direct drive”. Nella soluzione attualmente adottata dall’azienda la vite di estrusione, che gira a velocità relativamente basse, è collegata tramite un riduttore ad un motore asincrono trifase, che ruota a velocità significativamente superiori. L’ipotesi di una soluzione differente prevederebbe l’accoppiamento della vite ad un motore coppia (torque motor) caratterizzato da una elevata coppia e giri relativamente bassi. I vantaggi di tale accoppiamento sarebbero fondamentalmente il risparmio energetico derivante dall’esclusione del riduttore dal meccanismo e la maggiore facilità di regolazione della velocità e di conseguenza anche della portata dell’estrusore. La tesi ha lo scopo di analizzare nel particolare l’attuale situazione dal punto di vista del consumo energetico delle 11 taglie di estrusori, di valutare una soluzione con motore coppia consultando diversi fornitori di motori, di comparare le due varianti dal punto di vista dell’efficienza e dei vantaggi economici.

Sviluppo e validazione di metodologie di analisi numerica per flussi cavitanti all'interno di iniettori ad alta pressione

Il continuo sviluppo dei sistemi di iniezione, rispondente ad aumento di performance unito alla riduzione delle emissioni inquinanti, evidenzia sempre più la necessità di studiare i fenomeni cavitanti che si instaurano all’interno degli iniettori. La cavitazione, infatti, se particolarmente intensa e prolungata nel tempo porta all’erosione del materiale con la conseguente rottura dell’organo elettromeccanico. Attraverso un confronto tra le diverse tipologie di fori iniettore, si è messa a punto una metodologia di analisi per prevedere quali siano le zone dell’iniettore a maggior rischio di danneggiamento per erosione da cavitazione e quale sia l’influenza della geometria su queste. Lo studio è stato effettuato con il software commerciale FLUENT, codice di simulazione fluidodinamica di ANSYS.

Valutazione sperimentale della resistenza a fatica di elementi albero-mozzo accoppiati per interferenza

Esposizione dell’attività di laboratorio basata sullo svolgimento di prove sperimentali di resistenza a fatica su accoppiamenti albero-mozzo realizzati mediante calettamento forzato con riscaldamento in forno del mozzo, con l’obiettivo di determinare l’influenza di tale tipo di accoppiamento sulla vita a fatica del componente. Gli accoppiamenti albero – mozzo, anche detti collegamenti forzati, sono collegamenti fissi o semi–permanenti utilizzati per unire due organi tra loro che permettono di trasmettere elevate forze tangenziali anche con interferenze non elevate, realizzando un’unione sicura, quanto quella ottenibile con linguetta o chiavetta. Inoltre l’assenza di masse esterne non genera squilibri dinamici. Il lavoro di sperimentazione in laboratorio è stato preceduto da uno studio mediante modellatore FEM. I risultati ottenuti dallo studio per mezzo di Ansys Workbench 12.0 sono stati il punto di partenza della sperimentazione, la quale è stata effettuata con l’obiettivo di verificare la validità dei risultati ottenuti mediante modellatore.

Valutazione numerica del comportamento meccanico di giunzioni incollate

Studio su giunti incollati attraverso il metodo agli elementi finiti (FEM). E’ stata implementata l’analisi numerica su provini seguendo lo standard della normativa ASTM International relativa a prove sperimentali, per giunzioni di lamine in metallo o in materiale composito. Si è introdotto il materiale composito, cercando di inquadrarne le proprietà, i limiti e i vantaggi rispetto ai materiali tradizionalmente usati, sono stati elencati i difetti che possono nascere e svilupparsi in un composito durante la sua vita operativa, i quali, anche se di piccole dimensioni, a volte possono risultare tanto pericolosi da portare al collasso dell’intera struttura. Nasce, quindi, durante la fase di progettazione la necessità di rilevare, caratterizzare e tenere sotto controllo i danni e considerare i materiali non completamente esenti da difetti. Si è parlato, poi, del processo di riparazione, ove possibile, come alternativa alla sostituzione del componente con un notevole risparmio sui costi di manutenzione. Sono stai presi in esame i vari metodi effettuando un confronto tra essi. Per questo lavoro di tesi, è stato preso in esame l’incollaggio come metodo di fissaggio tra la membrana riparata e la struttura esistente e ne è stata descritta la teoria. Dopo questa panoramica si è passati alla verifica sugli incollaggi attraverso le analisi FEM.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: analisi dei dati disponibili

Si mostra l’evoluzione di un modello fisico-matematico atto alla ricostruzione dei fussi nell’intera regione Emilia Romagna partendo da due sorgenti di dati: dati sparsi con bassa risoluzione spaziale senza errore e dati distribuiti in tutta la regione con percentuale rispetto alla totalità di autoveicoli ignota. Si descrive l’elaborazione dei dati e l’evoluzione del modello nella sua storicità fino ad ottenere un buon risultato nella ricostruzione dei fussi. Inoltre si procede ad analizzare la natura dei dati e la natura del problema per ottenere una buona soluzione in grado di descrivere il sistema e per essere facilmente estesa ad altre regioni. Dopo aver definito un metodo di validazione si confrontano svariati risultati di modelli differenti mostrando un’evoluzione nella ricerca di un modello che risolva il problema con tempi computazionali accettabili in modo da ottenere un sistema real-time.

Ricostruzione di flussi veicolari su scala regionale: progettazione e implementazione di un modello

Si mostrano i passi seguiti nello sviluppo di un modello matematico e simulativo che mira a ricostruire il campo di flusso veicolare della rete stradale della regione Emilia Romagna. Si descrivono le fonti di dati utilizzate per la ricostruzione: dispositivi GPS a bassa capillarità e spire induttive su strada; si discute delle caratteristiche dei dati e dei problemi intrinseci e contingenti da cui sono affetti, nonché delle metodologie adottate nel tentativo di risolvere questi problemi. Si illustra l’idea centrale alla base delle ricostruzioni, e si descrive un criterio di validazione del modello. Si mostrano i risultati dei vari algoritmi ideati, ognuno affiancato dal parametro di validità, evidenziando quale metodo produca risultati migliori. Si conclude discutendo delle potenzialità del modello in termini di applicabilità in altre regioni o zone geografiche.

Simulazione della cinetica del sodio in emodialisi mediante un modello matematico monocompartimentale.

Utilizzo di un modello matematico monocompartimentale per simulare la cinetica del sodio in sedute di dialisi (HD e HDF on-line) che prevedono l'utilizzo del sistema Hemocontrol, quindi quantificare le prestazioni di tale modello per evidenziarne limiti ed adeguatezza in alternativa all'utilizzo di modelli bicompartimentali più complessi.