Laser shock peening treatment to control and moderate fatigue crack growth in aircraft structure based on residual stress engineering approach

Laser Shock Peening (LSP) is a surface enhancement treatment which induces a significant layer of beneficial compressive residual stresses of up to several mm underneath the surface of metal components in order to improve the detrimental effects of the crack growth behavior rate in it. The aim of this thesis is to predict the crack growth behavior in metallic specimens with one or more stripes which define the compressive residual stress area induced by the Laser Shock Peening treatment. The process was applied as crack retardation stripes perpendicular to the crack propagation direction with the object of slowing down the crack when approaching the peened stripes. The finite element method has been applied to simulate the redistribution of stresses in a cracked model when it is subjected to a tension load and to a compressive residual stress field, and to evaluate the Stress Intensity Factor (SIF) in this condition. Finally, the Afgrow software is used to predict the crack growth behavior of the component following the Laser Shock Peening treatment and to detect the improvement in the fatigue life comparing it to the baseline specimen. An educational internship at the “Research & Technologies Germany – Hamburg” department of AIRBUS helped to achieve knowledge and experience to write this thesis. The main tasks of the thesis are the following: •To up to date Literature Survey related to “Laser Shock Peening in Metallic Structures” •To validate the FE model developed against experimental measurements at coupon level •To develop design of crack growth slowdown in Centered Cracked Tension specimens based on residual stress engineering approach using laser peened strip transversal to the crack path •To evaluate the Stress Intensity Factor values for Centered Cracked Tension specimens after the Laser Shock Peening treatment via Finite Element Analysis •To predict the crack growth behavior in Centered Cracked Tension specimens using as input the SIF values evaluated with the FE simulations •To validate the results by means of experimental tests

Control and navigation of a rover for agricultural purposes

L’obiettivo di questa tesi è di descrivere e implementare via software un modello di rover autonomo per uso in ambito agricolo. La scelta di questo argomento deriva dal fatto che al laboratorio CASY dell’Università di Bologna è stato commissionato un robot che possa aiutare piccoli imprenditori agricoli a essere competitivi con i più grandi. Le funzionalità che il robot avrà, una volta ultimato, andranno dal tagliare l’erba allo spruzzare fertilizzante sugli alberi da frutto. Questa tesi si interessa del progetto del sistema di navigazione. Inizialmente viene introdotto il modello cinematico e in particolare la configurazione differential drive in cui il rover rientra. Successivamente viene elaborato un sistema di controllo basato sulla linearizzazione statica del feedback. Una volta completati il modello e il sistema di controllo si procede con la generazione di traiettoria: vengono analizzati e confrontati alcuni algoritmi per l’inseguimento di una traiettoria definita tramite waypoint. Infine è presentato un algoritmo per la navigazione all’interno di un campo di filari di alberi da frutto. Le uniche informazioni esterne disponibili in questo contesto sono le rilevazioni di sensori di distanza frontali e laterali, in quanto un GPS sarebbe troppo impreciso per gli scopi. Questa tesi costituisce la base per ulteriori sviluppi del progetto. In particolare la realizzazione di un programma di supervisione che stabilisca la modalità di moto da attuare e programmi specifici per le varie funzionalità agricole del rover.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.

Genetic and process engineering approaches for improving lipid productivity in the non-conventional oleaginous yeast Cutaneotrichosporon oleaginosus

Gli oli microbici stanno ricevendo sempre più attenzioni come possibile alternativa agli oli vegetali, nel processo di sostituzione dei combustibili fossili. Tuttavia, diversi aspetti necessitano di essere ottimizzati al fine di ottenere oli economicamente competitivi e con caratteristiche chimico-fisiche desiderate. In questa ricerca, sono stati utilizzati due differenti approcci per poter realizzare l’obiettivo preposto. Il primo, si è basato sull’ingegnerizzazione genetica del lievito C. oleaginous, al fine di incrementare la produttività di lipidi e modificare la composizione dei trigliceridi (TAG) sintetizzati. Un protocollo basato su una trasformazione genetica mediata da Agrobacterium è stato utilizzato per sovraesprimere la diacilglicerol trasnferasi (DGA1), l’enzima responsabile dell’ultimo step della sintesi dei TAG, e la Δ9-desaturasi, l’enzima che catalizza la conversione dell’acido stearico (C18:0) in acido oleico (C18:1). La selezione di colonie positive e l’analisi dei mutanti ottenuti ha confermato la buona riuscita della trasformazione. Il secondo approccio ha mirato a studiare l’influenza sulla crescita e sul profilo di lipidi accumulati da C. oleaginous da parte di diversi acidi grassi volatili (VFAs), una materia prima ottenibile da trattamenti di scarti industriali. A questo proposito, sono state utilizzate fermentazioni fed-batch su scala da 1-L basate su glucosio e miscele sintetiche di acido acetico e di VFAs come fonte di carbonio. L’utilizzo simultaneo di acido acetico e acidi secondari ha mostrato come sia possibile stimolare il metabolismo microbico al fine di incrementare l'accumulo di oli e ottenere una composizione chimica lipidica desiderata.

Optimal Control and Lyapunov exponents

Il presente lavoro è suddiviso in due parti. Nella prima sono presentate la teoria degli esponenti di Lyapunov e la teoria del Controllo Ottimo da un punto di vista geometrico. Sono riportati i risultati principali di queste due teorie e vengono abbozzate le dimostrazioni dei teoremi più importanti. Nella seconda parte, usando queste due teorie, abbiamo provato a trovare una stima per gli esponenti di Lyapunov estremali associati ai sistemi dinamici lineari switched sul gruppo di Lie SL2(R). Abbiamo preso in considerazione solo il caso di un sistema generato da due matrici A,B ∈ sl2(R) che generano l’intera algebra di Lie. Abbiamo suddiviso il problema in alcuni possibili casi a seconda della posizione nello spazio tridimensionale sl2(R) del segmento di estremi A e B rispetto al cono delle matrici nilpotenti. Per ognuno di questi casi, abbiamo trovato una candidata soluzione ottimale. Riformuleremo il problema originale di trovare una stima per gli esponenti di Lyapunov in un problema di Controllo Ottimo. Dopodiché, applichiamo il Principio del massimo di Pontryagin e troveremo un controllo e la corrispondente traiettoria che soddisfa tale Principio.

Modeling and Model Predictive Control of an Industrial Hydraulic System

This thesis aims to illustrate the construction of a mathematical model of a hydraulic system, oriented to the design of a model predictive control (MPC) algorithm. The modeling procedure starts with the basic formulation of a piston-servovalve system. The latter is a complex non linear system with some unknown and not measurable effects that constitute a challenging problem for the modeling procedure. The first level of approximation for system parameters is obtained basing on datasheet informations, provided workbench tests and other data from the company. Then, to validate and refine the model, open-loop simulations have been made for data matching with the characteristics obtained from real acquisitions. The final developed set of ODEs captures all the main peculiarities of the system despite some characteristics due to highly varying and unknown hydraulic effects, like the unmodeled resistive elements of the pipes. After an accurate analysis, since the model presents many internal complexities, a simplified version is presented. The latter is used to linearize and discretize correctly the non linear model. Basing on that, a MPC algorithm for reference tracking with linear constraints is implemented. The results obtained show the potential of MPC in this kind of industrial applications, thus a high quality tracking performances while satisfying state and input constraints. The increased robustness and flexibility are evident with respect to the standard control techniques, such as PID controllers, adopted for these systems. The simulations for model validation and the controlled system have been carried out in a Python code environment.

Modeling and analysis of a zipping elastomeric actuator

This thesis introduces and analyzes a dielectric elastomer actuator (DEA) working in zipping mode. Electrostatic zipping is a very familiar actuation principle used in silicon micro-electro-mechanical systems. With lower voltage supply, electrostatic zipping can provide great performance for forces and displacements of an elastic membrane. Applying this principle to dielectric elastomers, the softness of the material will provide better compliance compared to silicon materials. After the presentation of an analytical model, this thesis investigates how system geometry and elastomer pre-tensioning affect system response. Results highlight how a proper selection of system parameters makes it possible to improve system regulation and reduce operating voltage requirements. Potential applications of zipping DEAs are for microfluidic control and electro-forming.