Substructuring approache in state space models for dynamic system parameters identification

In the recent decade, the request for structural health monitoring expertise increased exponentially in the United States. The aging issues that most of the transportation structures are experiencing can put in serious jeopardy the economic system of a region as well as of a country. At the same time, the monitoring of structures is a central topic of discussion in Europe, where the preservation of historical buildings has been addressed over the last four centuries. More recently, various concerns arose about security performance of civil structures after tragic events such the 9/11 or the 2011 Japan earthquake: engineers looks for a design able to resist exceptional loadings due to earthquakes, hurricanes and terrorist attacks. After events of such a kind, the assessment of the remaining life of the structure is at least as important as the initial performance design. Consequently, it appears very clear that the introduction of reliable and accessible damage assessment techniques is crucial for the localization of issues and for a correct and immediate rehabilitation. The System Identification is a branch of the more general Control Theory. In Civil Engineering, this field addresses the techniques needed to find mechanical characteristics as the stiffness or the mass starting from the signals captured by sensors. The objective of the Dynamic Structural Identification (DSI) is to define, starting from experimental measurements, the modal fundamental parameters of a generic structure in order to characterize, via a mathematical model, the dynamic behavior. The knowledge of these parameters is helpful in the Model Updating procedure, that permits to define corrected theoretical models through experimental validation. The main aim of this technique is to minimize the differences between the theoretical model results and in situ measurements of dynamic data. Therefore, the new model becomes a very effective control practice when it comes to rehabilitation of structures or damage assessment. The instrumentation of a whole structure is an unfeasible procedure sometimes because of the high cost involved or, sometimes, because it’s not possible to physically reach each point of the structure. Therefore, numerous scholars have been trying to address this problem. In general two are the main involved methods. Since the limited number of sensors, in a first case, it’s possible to gather time histories only for some locations, then to move the instruments to another location and replay the procedure. Otherwise, if the number of sensors is enough and the structure does not present a complicate geometry, it’s usually sufficient to detect only the principal first modes. This two problems are well presented in the works of Balsamo [1] for the application to a simple system and Jun [2] for the analysis of system with a limited number of sensors. Once the system identification has been carried, it is possible to access the actual system characteristics. A frequent practice is to create an updated FEM model and assess whether the structure fulfills or not the requested functions. Once again the objective of this work is to present a general methodology to analyze big structure using a limited number of instrumentation and at the same time, obtaining the most information about an identified structure without recalling methodologies of difficult interpretation. A general framework of the state space identification procedure via OKID/ERA algorithm is developed and implemented in Matlab. Then, some simple examples are proposed to highlight the principal characteristics and advantage of this methodology. A new algebraic manipulation for a prolific use of substructuring results is developed and implemented.

Investigation on laser shock peening capability by FE simulation

Laser shock peening is a technique similar to shot peening that imparts compressive residual stresses in materials for improving fatigue resistance. The ability to use a high energy laser pulse to generate shock waves, inducing a compressive residual stress field in metallic materials, has applications in multiple fields such as turbo-machinery, airframe structures, and medical appliances. The transient nature of the LSP phenomenon and the high rate of the laser's dynamic make real time in-situ measurement of laser/material interaction very challenging. For this reason and for the high cost of the experimental tests, reliable analytical methods for predicting detailed effects of LSP are needed to understand the potential of the process. Aim of this work has been the prediction of residual stress field after Laser Peening process by means of Finite Element Modeling. The work has been carried out in the Stress Methods department of Airbus Operations GmbH (Hamburg) and it includes investigation on compressive residual stresses induced by Laser Shock Peening, study on mesh sensitivity, optimization and tuning of the model by using physical and numerical parameters, validation of the model by comparing it with experimental results. The model has been realized with Abaqus/Explicit commercial software starting from considerations done on previous works. FE analyses are “Mesh Sensitive”: by increasing the number of elements and by decreasing their size, the software is able to probe even the details of the real phenomenon. However, these details, could be only an amplification of real phenomenon. For this reason it was necessary to optimize the mesh elements' size and number. A new model has been created with a more fine mesh in the trough thickness direction because it is the most involved in the process deformations. This increment of the global number of elements has been paid with an "in plane" size reduction of the elements far from the peened area in order to avoid too high computational costs. Efficiency and stability of the analyses has been improved by using bulk viscosity coefficients, a merely numerical parameter available in Abaqus/Explicit. A plastic rate sensitivity study has been also carried out and a new set of Johnson Cook's model coefficient has been chosen. These investigations led to a more controllable and reliable model, valid even for more complex geometries. Moreover the study about the material properties highlighted a gap of the model about the simulation of the surface conditions. Modeling of the ablative layer employed during the real process has been used to fill this gap. In the real process ablative layer is a super thin sheet of pure aluminum stuck on the masterpiece. In the simulation it has been simply reproduced as a 100µm layer made by a material with a yield point of 10MPa. All those new settings has been applied to a set of analyses made with different geometry models to verify the robustness of the model. The calibration of the model with the experimental results was based on stress and displacement measurements carried out on the surface and in depth as well. The good correlation between the simulation and experimental tests results proved this model to be reliable.

Dynamic networks, text analysis and Gephi: the art math

In numerosi campi scientici l'analisi di network complessi ha portato molte recenti scoperte: in questa tesi abbiamo sperimentato questo approccio sul linguaggio umano, in particolare quello scritto, dove le parole non interagiscono in modo casuale. Abbiamo quindi inizialmente presentato misure capaci di estrapolare importanti strutture topologiche dai newtork linguistici(Degree, Strength, Entropia, . . .) ed esaminato il software usato per rappresentare e visualizzare i grafi (Gephi). In seguito abbiamo analizzato le differenti proprietà statistiche di uno stesso testo in varie sue forme (shuffolato, senza stopwords e senza parole con bassa frequenza): il nostro database contiene cinque libri di cinque autori vissuti nel XIX secolo. Abbiamo infine mostrato come certe misure siano importanti per distinguere un testo reale dalle sue versioni modificate e perché la distribuzione del Degree di un testo normale e di uno shuffolato abbiano lo stesso andamento. Questi risultati potranno essere utili nella sempre più attiva analisi di fenomeni linguistici come l'autorship attribution e il riconoscimento di testi shuffolati.

Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Fluid dynamic analysis of trees influence in dispersion of pollutant in urban street canyon

degli elementi vegetali nella dinamica e nella dispersione degli inquinanti nello street canyon urbano. In particolare, è stato analizzata la risposta fluidodinamica di cespugli con altezze diverse e di alberi con porosità e altezza del tronco varianti. Il modello analizzato consiste in due edifici di altezza e larghezza pari ad H e lunghezza di 10H, tra i quali corre una strada in cui sono stati modellizati una sorgente rappresentativa del traffico veicolare e, ai lati, due linee di componenti vegetali. Le simulazioni sono state fatte con ANSYS Fluent, un software di "Computational Fluid Dynamics"(CFD) che ha permesso di modellizare la dinamica dei flussi e di simulare le concentrazioni emesse dalla sorgente di CO posta lungo la strada. Per la simulazione è stato impiegato un modello RANS a chiusura k-epsilon, che permette di parametrizzare i momenti secondi nell'equazione di Navier Stokes per permettere una loro più facile risoluzione. I risultati sono stati espressi in termini di profili di velocità e concentrazione molare di CO, unitamente al calcolo della exchange velocity per quantificare gli scambi tra lo street canyon e l'esterno. Per quanto riguarda l'influenza dell'altezza dei tronchi è stata riscontrata una tendenza non lineare tra di essi e la exchange velocity. Analizzando invece la altezza dei cespugli è stato visto che all'aumentare della loro altezza esiste una relazione univoca con l'abbassamento della exchange velocity. Infine, andando a variare la permeabilità delle chiome degli alberi è stata trovatta una variazione non monotonica che correla la exchange velocity con il parametro C_2, che è stata interpretata attraverso i diversi andamenti dei profili sopravento e sottovento. In conclusione, allo stadio attuale della ricerca presentata in questa tesi, non è ancora possibile correlare direttamente la exchange velocity con alcun parametro analizzato.

Investigation of novel methodologies for the MCNP geometry preparation: application on the Upper Launcher BSM of ITER

La tesi si divide in due macroargomenti relativi alla preparazione della geometria per modelli MCNP. Il primo è quello degli errori geometrici che vengono generati quando avviene una conversione da formato CAD a CSG e le loro relazioni con il fenomeno delle lost particles. Il passaggio a CSG tramite software è infatti inevitabile per la costruzione di modelli complessi come quelli che vengono usati per rappresentare i componenti di ITER e può generare zone della geometria che non vengono definite in modo corretto. Tali aree causano la perdita di particelle durante la simulazione Monte Carlo, andando ad intaccare l' integrità statistica della soluzione del trasporto. Per questo motivo è molto importante ridurre questo tipo di errori il più possibile, ed in quest'ottica il lavoro svolto è stato quello di trovare metodi standardizzati per identificare tali errori ed infine stimarne le dimensioni. Se la prima parte della tesi è incentrata sui problemi derivanti dalla modellazione CSG, la seconda invece suggerisce un alternativa ad essa, che è l'uso di Mesh non Strutturate (UM), un approccio che sta alla base di CFD e FEM, ma che risulta innovativo nell'ambito di codici Monte Carlo. In particolare le UM sono state applicate ad una porzione dell' Upper Launcher (un componente di ITER) in modo da validare tale metodologia su modelli nucleari di alta complessità. L'approccio CSG tradizionale e quello con UM sono state confrontati in termini di risorse computazionali richieste, velocità, precisione e accuratezza sia a livello di risultati globali che locali. Da ciò emerge che, nonostante esistano ancora alcuni limiti all'applicazione per le UM dovuti in parte anche alla sua novità, vari vantaggi possono essere attribuiti a questo tipo di approccio, tra cui un workflow più lineare, maggiore accuratezza nei risultati locali, e soprattutto la possibilità futura di usare la stessa mesh per diversi tipi di analisi (come quelle termiche o strutturali).