Simulazione numerica di incollaggi single-strap joint

Nel presente lavoro sono esposti i comportamenti e le caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un single-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Simulazione numerica di incollaggi double-strap joint

Esposizione di comportamenti e caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un double-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.

Biomechanics of the distal radio-ulnar joint: A finite element study (biomeccanica dell'articolazione radio-ulnare distale: Studio agli elementi finiti)

Il metodo agli elementi finiti è stato utilizzato per valutare la distribuzione dei carichi e delle deformazioni in numerose componenti del corpo umano. L'applicazione di questo metodo ha avuto particolare successo nelle articolazioni con geometria semplice e condizioni di carico ben definite, mentre ha avuto un impatto minore sulla conoscenza della biomeccanica delle articolazioni multi-osso come il polso. Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare gli aspetti clinici e biomeccanici dell’articolazione distale radio-ulnare, attraverso l’utilizzo di metodi di modellazione e di analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due modelli 3D a partire da immagini CT, in formato DICOM. Le immagini appartenevano ad un paziente con articolazione sana e ad un paziente con articolazione patologica, in particolare si trattava di una dislocazione ulnare traumatica. Le componenti principali dei modelli presi in considerazione sono stati: radio, ulna, cartilagine, legamento interosso, palmare e distale. Per la realizzazione del radio e dell’ulna sono stati utilizzati i metodi di segmentazione “Thresholding” e “RegionGrowing” sulle immagini e grazie ad operatori morfologici, è stato possibile distinguere l’osso corticale dall’osso spongioso. Successivamente è stata creata la cartilagine presente tra le due ossa, attraverso operazioni di tipo booleano. Invece, i legamenti sono stati realizzati prendendo i punti-nodo del radio e dell’ulna e formando le superfici tra di essi. Per ciascuna di queste componenti, sono state assegnate le corrispondenti proprietà dei materiali. Per migliorare la qualità dei modelli, sono state necessarie operazioni di “Smoothing” e “Autoremesh”. In seguito, è stata eseguita un’analisi agli elementi finiti attraverso l’uso di vincoli e forze, così da simulare il comportamento delle articolazioni. In particolare, sono stati simulati lo stress e la deformazione. Infine, grazie ai risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile verificare l’eventuale rischio di frattura in differenti punti anatomici del radio e dell’ulna nell’articolazione sana e patologica.

Formulazione e messa a punto di una metodologia per il progetto di ventilatori per gallerie del vento con applicazione al "long-pipe" del laboratorio CICLoPE : analisi attraverso l'impiego di modelli matematici in MATLAB

Nell'ottica di un futuro riprogetto, totale o parziale, del ventilatore della galleria del vento del progetto CICLoPE dell'Università di Bologna, è stato messo a punto, grazie a modelli matematici di letteratura, un algoritmo per la determinazione della geometria delle pale di un fan. La procedura si basa su ipotesi di incompressibilità e assenza di vortici di estremità ed è in grado di fornire la geometria del ventilatore una volta che sono state fissate: le condizioni richieste nella sezione di test, l'efficienza del tunnel e alcune proprietà del ventilatore stesso (ad esempio tipologia di profilo aerodinamico e numero di pale). L'algoritmo è in grado di lavorare solamente con la configurazione ventilatore seguito da profili raddrizzatori, ma è in previsione un'estensione che consentirà di studiare anche la configurazione a fan controrotanti (come quella del CICLoPE). Con questo software sono state progettate numerose soluzioni diverse per studiare il legame tra rendimento e geometria del ventilatore. Inoltre sono stati individuati i parametri che permettono di ottenere una pala con rastremazione e svergolatura trascurabili, con lo scopo di abbassare i costi del manufatto. In particolare è stato dimostrato come le configurazioni con diametro della nacelle grande (superiore al 65\% del diametro della sezione di potenza) siano particolarmente adatte a fornire rendimenti alti con la minima complicatezza della pala. Per quanto riguarda l'efficienza aerodinamica del profilo, i test comparativi indicano che questo parametro influisce relativamente poco sul rendimento del macchinario ma modifica profondamente la geometria della pala. Efficienze elevate tendono, secondo lo studio, a richiedere pale estremamente rastremate e poco svergolate; questo porta a preferire l'adozione di profili mediamente efficienti ma dall'ampio intervallo operativo in termini di angolo di attacco.

Analisi sperimentale di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento, con applicazione al "long-pipe" in CICLoPE

Analisi di un sistema per il posizionamento e la movimentazione di sensori in galleria del vento. In particolare l’analisi è stata focalizzata sul sistema di movimentazione sonde (traversing) presente nel long-pipe in CICLoPE (Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments). La struttura menzionata nasce per far fronte ad alcuni dei limiti presenti negli attuali laboratori fluidodinamici per lo studio della turbolenza ad alti numeri di Reynolds. Uno degli obiettivi del centro è quello di caratterizzare le più piccole strutture caratteristiche della turbolenza. Al fine di permettere tale studio era necessario migliorare il traversing esistente per ottenere movimenti ad alta precisione, in modo da raggiungere lo stesso ordine di grandezza delle scale più piccole della turbolenza. Il miglioramento di tale strumentazione è stato necessario anche per fornire un valido supporto alle metodologie esistenti per la determinazione della distanza tra sonde e parete, che resta una delle difficoltà nello studio della turbolenza di parete. L’analisi del traversing, svolta attraverso più test, ha fatto emergere problemi sia nella struttura del sistema, sia nel software che gestisce il motore per la movimentazione. La riprogrammazione del software e la rettifica di alcuni componenti del sistema hanno permesso di eliminare gli errori emersi. Le piccole imprecisioni restanti durante la movimentazione, non eliminabili con un’implementazione software, verranno totalmente superate grazie all’impiego del nuovo motore dotato di un encoder rotativo che sarà in grado di retroazionare il sistema, fornendo il reale spostamento effettuato.

Anemometria a filo caldo: studio di un sistema di calibrazione per sonde a due fili con applicazione al "long pipe" in CICLoPE

L’anemometro a filo caldo (in inglese hot wire) é lo strumento maggiormente usato per studiare sperimentalmente la turbolenza. A seconda di quante componenti della velocitá interessa studiare, esistono anemometri a uno, due o tre fili. Questo elaborato di tesi si concentra su sonde a due fili. Per prima cosa, ogni volta che si utilizza questo strumento bisogna effettuare una calibrazione, fase molto importante perché permette di relazionare le tensioni che ogni filo acquisisce con la velocitá reale del flusso. Sono presentati tre differenti metodi utilizzati per sonde a due fili e, dopo averli analizzati, sono stati applicati a dati acquisiti prima al CAT (Coaxial Aerodinamic Tunnel), struttura presente a Forlí, nell’hangar dell’Universitá di Bologna e poi al CICLoPE (Center for International Cooperation in Long Pipe Experiments), Long-Pipe costruito a Predappio, utilizzato per lo studio della turbolenza. La calibrazione per sonde a due fili si puó dividere in due parti, quella di velocitá e quella per gli angoli. Mentre al CAT é possibile effettuarle entrambi, al CICLoPE non é attualmente possibile eseguire la calibrazione angolare perché non esiste alcuno strumento utilizzabile per regolare la sonda all’angolo desiderato. Lo scopo di questo elaborato di tesi è trovare un metodo di calibrazione per sonde a due fili applicabile al CICLoPE eseguendo sul posto solamente una calibrazione di velocitá e adattando quella angolare effettuata precedentemente al CAT. Questo puó provocare dei problemi perché la calibrazione risulta fortemente dipendente da condizioni interne dei fili, come la resistenza, ma anche da condizioni al contorno, come la temperatura e la pressione dell’ambiente esterno. Dopo aver eseguito due campagne sperimentali di test, una al CAT e una al CICLoPE, i dati acquisiti sono stati elaborati per valutare l’efficacia dei vari metodi.