Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

FEM and experimental analysis of a wind turbine blade

This paperwork compares the a numerical validation of the finite element model (FEM) with respect the experimental tests of a new generation wind turbine blade designed by TPI Composites Inc. called BSDS (Blade System Design Study). The research is focused on the analysis by finite element (FE) of the BSDS blade and its comparison with respect the experimental data from static and dynamic investigations. The goal of the research is to create a general procedure which is based on a finite element model and will be used to create an accurate digital copy for any kind of blade. The blade prototype was created in SolidWorks and the blade of Sandia National Laboratories Blade System Design Study was accurately reproduced. At a later stage the SolidWorks model was imported in Ansys Mechanical APDL where the shell geometry was created and modal, static and fatigue analysis were carried out. The outcomes of the FEM analysis were compared with the real test on the BSDS blade at Clarkson University laboratory carried out by a new procedures called Blade Test Facility that includes different methods for both the static and dynamic test of the wind turbine blade. The outcomes from the FEM analysis reproduce the real behavior of the blade subjected to static loads in a very satisfying way. A most detailed study about the material properties could improve the accuracy of the analysis.

Caratterizzazione biomeccanica di vertebre umane

Metastasi ossee, osteoporosi e traumi sono le cause più comuni di fratture vertebrali che possono portare a conseguenze severe. In particolare, le fratture determinate da patologie e dall’invecchiamento colpiscono soprattutto il tratto toraco-lombare che è quello che sopporta la maggior parte dei carichi. Inoltre, le attività quotidiane inducono dei complessi scenari di carico sulla colonna vertebrale. Pertanto la misura di carichi in vivo ha un grande interesse clinico e biomeccanico dal momento che può essere necessaria per studiare il mal di schiena, le fratture vertebrali, il progetto di impianti, ecc. Tuttavia, le misure in vivo hanno il limite di essere invasive. Invece, le prove sperimentali hanno il vantaggio di essere non invasive, anche se presentano alcune limitazioni intrinseche quali la difficoltà di misurare le tensioni o le deformazioni che non siano sulla superficie delle vertebre e l’aumento della complessità e del costo delle prove nel momento in cui si vogliano fare misurazioni addizionali o sperimentare condizioni diverse. In alternativa, il comportamento meccanico delle strutture ossee può essere investigato con modelli numerici agli elementi finiti validati da prove sperimentali. È in questo contesto che va inserito il presente lavoro. Questa tesi ha lo scopo di cominciare un progetto sulla caratterizzazione biomeccanica di vertebre toraciche e lombari di soggetti affetti da osteoporosi da cui si ricaveranno i dati necessari per validare un modello agli elementi finiti. In particolare, durante i test meccanici si vuole riprodurre la tipica fattura vertebrale causata dall’osteoporosi, l’anterior wedge fracture. Le prove meccaniche sono state eseguite nel Laboratorio di Biomeccanica del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna, mentre il modello agli elementi finiti sarà sviluppato dal Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. Una volta validato, il modello sarà utilizzato per fare simulazioni di rottura in vivo.

Studio e ottimizzazione di un propulsore Diesel applicato a un drone

Progettazione di un motore Diesel 2 tempi sulla base commerciale di un TM100Kb a benzina di derivazione karting. Il motore è capace di 5kW di potenza ad un peso contenuto. La progettazione è orientata agli aspetti sia termodinamici che dinamici. Si effettua una serie di verifiche per capire l'efficienza e l'uso di componenti originali.

Riprogettazione di un dissuasore mobile per parcheggio

Riprogettazione di un palo dissuasore mobile per parcheggio. Dopo la descrizione dello stato dell'arte di un modello già esistente, è stata effettuata un'analisi critica che ha svelato i punti deboli del sistema. Successivamente sono stati individuati obiettivi e vincoli e si è proceduto alla progettazione del nuovo sistema con l'ausilio di software CAD e analisi FEM.

Valutazione dell'accuratezza e della precisione di un algoritmo di correlazione digitale di volumi applicato a vertebre naturali e trattate

La Digital Volume Correlation (DVC) è una tecnica di misura a tutto campo, non invasiva, che permette di misurare spostamenti e deformazioni all’interno della struttura ossea in esame. Mediante la comparazione d’immagini con provino scarico e con provino carico, ottenute attraverso sistemi di tomografia computerizzata, si può ottenere la mappa degli spostamenti per ogni direzione e la mappa di deformazione per ogni componente di deformazione. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la validazione della DVC, attraverso la determinazione dell’errore sistematico (accuratezza) e dell’errore casuale (precisione), in modo da poter valutare il livello di affidabilità della strumentazione. La valutazione si effettua su provini di vertebre di maiale, aumentate e non, sia a livello d’organo, sia a livello di tessuto. The Digital Volume Correlation (DVC) is a full field and contact less measurement technique that allowed estimating displacement and strain inside bone specimen. Images of the unloaded and loaded specimen were obtained from micro-CT and compared in order to obtain the displacement map and, differentiating, the strain map. The aim of this work is the validation of the approach, estimating the lack of accuracy (systematic error) and the lack of precision (random error) on different kinds of porcine vertebra, augmented and not, analysing the specimen on tissue level and on organ level.

Caratterizzazione biomeccanica di vertebre umane

Le fratture vertebrali sono tra le principali cause dell’incremento della mortalità. Queste sono dovute principalmente a traumi, tumori o particolari patologie metaboliche che colpiscono l’osso. Il tratto maggiormente interessato è quello toraco-lombare in quanto deve sopportare la maggior parte dei carichi. Risulta quindi necessario comprendere come la colonna vertebrale risponde ai carichi così da studiare e sviluppare nuovi protocolli e trattamenti per disordini del tratto spinale. Informazioni quantitative possono essere ottenute mediante test in vitro. Questi hanno alcune limitazioni dovute principalmente alla difficoltà di misurare le tensioni e le deformazioni in zone diverse dalla superficie, alla complessità e al costo delle prove. Un altro limite delle prove in vitro è rappresentato dal fatto che ciascun campione può essere testato a rottura una volta sola. Queste problematiche possono essere superate con l’utilizzo contemporaneo di modelli matematici e test in vitro. In particolare i test in vitro sono utilizzati in fase di validazione del modello matematico, ovvero nella determinazione di quanto il modello è una rappresentazione del comportamento reale che si sta simulando. Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di caratterizzazione di vertebre toraco-lombari utilizzate per la validazione di un modello agli elementi finiti. In particolare l’obiettivo dello studio è stata la realizzazione di prove meccaniche in modo da replicare l’anterior wedge fracture. Tali prove sono state effettuate presso il Laboratorio di Biomeccanica del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna. Gli spostamenti registrati durante le prove sono stati utilizzati dal Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli come condizioni al contorno per la realizzazione di un modello FE. Una volta validato e messo a punto, il modello sarà utilizzato per valutare lo stato di salute della colonna vertebrale in vivo.

Analisi statica equivalente per strutture dotate di smorzatori viscosi

L’installazione di smorzatori viscosi sulle strutture permette di dissipare l’energia che il sisma trasmette, senza provocare danni o rotture degli elementi strutturali principali. Questi dispositivi sono stati l'oggetto di numerosi lavori di ricerca dal 1980 fino ad oggi e l'efficacia nel mitigare gli effetti dell’azione sismica su strutture edilizie è stata ampiamente dimostrata. La maggior parte delle teorie scientifiche per la progettazione e l'ottimizzazione degli smorzatori si basano sofisticati algoritmi, portando talvolta a complessi procedure. L'applicazione di tali algoritmi richiede spesso competenze computazionali e di tempo eccessive. Il fine della tesi è quello di proporre un metodo pratico, cioè diretto e immediato per aiutare gli ingegneri per effettuare analisi sismiche su strutture intelaiate dotate di smorzatori viscosi e di dimensionare tali dispositivi. Tale metodo è stato l’oggetto del lavoro di ricerca scientifica trattato nell’articolo: “Equivalent Static Analyses of framed structures with added viscous dampers” di Palermo et al., 2015. Si riesce così ad estendere così il concetto di analisi statica equivalente anche per strutture dotate di smorzatori viscosi, definendo in maniera intuitiva sia le configurazioni di idealizzazione della strutture durante il sisma sia l’ idealizzazione dell’effetto del sisma sulla struttura. In questi anni di lavoro di ricerca, sono stati proposti vari metodi per il dimensionamento degli smorzatori viscosi. Tra questi, il prof. Ing. Silvestri (Silvestri et al., 2010) ha proposto un approccio progettuale diretto, chiamato "five step procedure” che mira a guidare l'ingegnere professionista, dalla scelta del target di prestazioni alle identificazioni della caratteristiche meccaniche di smorzatori viscosi trovabili in commercio. La procedura originale (Silvestri et al., 2010, Silvestri et al., 2011, Palermo et al., 2013), anche se per lo più basata su espressioni analitiche, richiede ancora lo sviluppo di analisi numeriche Time-History di modelli FEM, al fine di valutare le forze massime negli smorzatori aggiunti. Verrà spiegato e proposto un metodo semplificato (“Direct five step procedure for the dimensioning of added viscous dampers” Palermo et al., 2015) che consente ottenere direttamente, tramite una semplice formula, le forze massime degli smorzatori (spesso un parametro chiave della valutazione del costo degli smorzatori), senza eseguire simulazioni numeriche. Infine, si è applicato il metodo semplificato proposto di analisi statica equivalente per strutture equipaggiate di smorzatori viscosi ad un edificio reale.

Valutazione funzionale ed economica di una innovativa macchina utensile in alluminio

L’oggetto di studio della presente tesi è una macchina utensile ad altra produttività con tavola rotante (transfer) che presenta numerosi elementi di innovazione rispetto a versioni precedenti. In particolare è stata ottimizzata la scelta dei materiali che compongono i vari elementi della struttura, sono stati ripensati gli impianti di servizio e, infine, è stato reso possibile l’impiego di tecnologie di lavorazione che permettono una notevole riduzione del consumo elettrico. Il transfer è costituito da una stazione di carico/scarico e da numerose stazioni di lavoro equipaggiate con moduli a tre assi che permettono di eseguire le diverse operazioni da realizzare sul componente in lavorazione. Le unità a tre assi vengono impiegate per movimentare gli elettromandrini che mettendo in rotazione gli utensili permettono l’esecuzione delle diverse lavorazioni. L’attività svolta è stata suddivisa in diverse fasi: nella prima è stata realizzata un’analisi funzionale che ha permesso di valutare (i) la rigidezza dell’unità a tre assi che equipaggia ogni stazione di lavoro e (ii) l’errore di posizionamento indotto dal riscaldamento delle viti di manovra che permettono la movimentazione dei tre assi della macchina. Nella seconda fase sono state valutate le potenzialità della tecnologia Minimum Quantity Lubrication (MQL) come alternativa ecologica ed economica alla tradizionale tecnica di lubrorefrigerazione con emulsione. La tecnica MQL consiste nel nebulizzare nella zona di taglio un aerosol composto da aria e olio. In particolare è stato calibrato il sistema di generazione dell’aerosol stesso ed è stata indagata l’influenza dei diversi parametri di taglio sulla qualità della lavorazione. Infine è stata effettuata un’analisi economica che ha permesso di valutare il vantaggio economico in termini di potenza installata e consumo di energia elettrica del transfer in relazione ad una macchina utensile di pari taglia che presenta le soluzioni costruttive standard per questa tipologia di dispositivo.

Progetto preliminare e prove di vibrazione di un Cubesat

Il presente lavoro di tesi si pone l’obiettivo di studiare come un Cubesat 1U reagisce se sollecitato con vibrazioni di una certa banda di frequenze, corrispondenti a quelle generate durante il lancio del vettore VEGA, e cercare di sviluppare un modello virtuale che in futuro permetta di simulare in maniera più realistica il comportamento delle successive strutture che saranno progettate. Il campo dei nanosatelliti è in rapida espansione negli ultimi anni, bassi costi di produzione e lancio abbinati a tempi rapidi di sviluppo e progettazione li rendono un ottimo strumento per aziende di piccole dimensioni e università per aquisire esperienza nel campo delle tecnologie spaziali e permettere la formazione degli studenti. Grazie a questi fattori il corso di Ingegneria Aerospaziale di Forlì ha intrapreso la progettazione di un Cubesat che una volta ultimato potrà essere lanciato in orbita grazie al contributo dell’ESA, che si presta a fornire lanci gratuiti alle università europee. Questo progetto porta avanti il lavoro compiuto durante la fase di tirocinio in cui abbiamo cercato di progettare una struttura semplice e realizzabile completamente nei laboratori dell’università, che permettesse anche successivamente a studenti e dottorandi di cimentarsi nello studio e nella progettazione di un nanosatellite. Il mio compito in particolare consiste nell’esecuzione di una serie di prove sperimentali con uno shaker presente nei laboratori della Scuola e, raccogliendo, analizzando e interpretando la risposta della struttura, si cercherà di modificare il modello CAD realizzato finora (lavoro compiuto in un'altra tesi di laurea) in modo che rispecchi più fedelmente il comportamento di quello reale e fornire quindi una base ai futuri lavori in questo ambito. La struttura, ispirata a quelle già presenti sul mercato, è stata progettata utilizzando Solidworks un software CAD, successivamente è stata fatta un analisi tramite un altro software FEM, realizzato e poi testato mediante uno shaker presso i laboratori del corso di studi in ingegneria aerospaziale di Forlì. Per poter fare ciò si è anche realizzata quella che è stata usata come interfaccia per connettere il Cubesat allo shaker, infatti data la sua proprietà di esercitare spostamenti solo lungo l’asse verticale si è reso necessario trovare un modo per sollecitare il nanosatellite lungo tutti e tre gli assi per poter evidenziare i modi flessionali della struttura. I dati ottenuti riguardano le accelerazioni rilevate in vari punti del Cubesat e del supporto da parte di accelerometri piezometrici che sono stati analizzati per risalire al tipo di comportamento con cui ha risposto la struttura a vibrazioni di varia frequenza e intensità.

Valutazione numerica del comportamento di materiali compositi sottoposti ad impatti "near edge"

Simulazione numerica con software Abaqus di impatti a bassa energia su laminati di fibra di carbonio con matrice epossidica per la previsione della formazione di delaminazioni interne. Confronto tra impatti centrali al provino e in prossimità del bordo.

Analisi della vulnerabilità sismica di serbatoi atmosferici in acciaio

Il presente lavoro di tesi riguarda l’analisi della vulnerabilità sismica di serbatoi atmosferici in acciaio. I serbatoi sono strutture di varie forme e dimensioni, utilizzate per lo stoccaggio di liquidi come l’acqua, il petrolio e il gas naturale. La loro importanza non deriva solamente dal loro valore economico e da quello della sostanza contenuta, ma anche dalle conseguenze disastrose causate da un loro collasso strutturale. Risulta quindi fondamentale progettare sistemi che siano efficienti ed affidabili, soprattutto nei confronti di azioni sismiche. In questo campo, in particolare negli ultimi decenni, sono state condotte numerose campagne sperimentali, grazie alle quali si è compreso meglio il comportamento dei serbatoi. Le normative, inoltre, hanno introdotto al loro interno indicazioni riguardo all’analisi dinamica, fornendo un valido strumento per i progettisti. In questo lavoro di tesi si è analizzata la vulnerabilità sismica di varie tipologie di serbatoi e si sono confrontati i risultati ottenuti. Sono stati studiati in particolare due modelli: il primo considera il serbatoio come rigido, il secondo, invece, come deformabile. L’analisi è stata automatizzata creando degli script che permettono, variando solamente alcuni parametri (caratteristiche del serbatoio, del liquido contenuto e del terreno presente), di giungere in tempi rapidi ad una soluzione accettabile per verificare le possibili rotture. Per modellare il problema si è scelto di seguire l’approccio fornito dalle raccomandazioni neozelandesi NZSEE, mentre per le verifiche di instabilità sono state prese in considerazione anche le normative europee. L’obiettivo è dunque quello di analizzare, attraverso un modello semplificato ed automatizzato, la vulnerabilità di serbatoi cilindrici in acciaio contenenti liquido sottoposti ad un’azione sismica.

Studio dei criteri di progetto e modellazione numerica di silos in acciaio

La ricerca scientifica oggetto della seguente tesi verte sullo studio di problematiche mosse dalla collaborazione Azienda-Università nell’ambito di sili contenenti materiale granulare, soggetti a sollecitazione sismica. Si è indagato sul comportamento di tali strutture a mezzo di due modelli, uno raffinato e l'altro semplificato, soggetti alle medesime combinazioni. Un aspetto interessante, introdotto nella modellazione, è stato quello di considerare la lamiera corrugata come una piastra ortotropa. Si sono riportate le linee guida per la progettazione e la verifica dei profili in parete sottile. Discussione e validazione dei risultati numerici.

Boundary condition identification of a bridge pier using experimental data and FEM modal updating

Over the past twenty years, new technologies have required an increasing use of mathematical models in order to understand better the structural behavior: finite element method is the one mostly used. However, the reliability of this method applied to different situations has to be tried each time. Since it is not possible to completely model the reality, different hypothesis must be done: these are the main problems of FE modeling. The following work deals with this problem and tries to figure out a way to identify some of the unknown main parameters of a structure. This main research focuses on a particular path of study and development, but the same concepts can be applied to other objects of research. The main purpose of this work is the identification of unknown boundary conditions of a bridge pier using the data acquired experimentally with field tests and a FEM modal updating process. This work doesn’t want to be new, neither innovative. A lot of work has been done during the past years on this main problem and many solutions have been shown and published. This thesis just want to rework some of the main aspects of the structural optimization process, using a real structure as fitting model.

Vibrazioni di Piastre in Materiale Composito con Elementi Finiti in Forma Forte

In questa tesi si affronta lo studio di piastre isotrope e laminate mediante metodo GDQ e si confrontano i risultati con quelli ottenuti, per le stesse tipologie di piastre, mediante metodo FEM. Lo scopo del lavoro e quello di certificare la maggior efficienza del software di calcolo DiQuMASPAB, basato su teorie in forma forte, rispetto ai tradizionali software di calcolo agli elementi finiti attualmente in commercio. Il confronto ha come obiettivo quello di evidenziare i punti deboli dal punto di vista dell'approssimazione delle soluzioni e del costo computazonale.