Experimental Study on Friction between Saline Ice and Steel

Understanding the interaction of sea ice with offshore structures is of primary importance for the development of technology in cold climate regions. The rheological properties of sea ice (strength, creep, viscosity) as well as the roughness of the contact surface are the main factors influencing the type of interaction with a structure. A device was developed and designed and small scale laboratory experiments were carried out to study sea ice frictional interaction with steel material by means of a uniaxial compression rig. Sea-ice was artificially grown between a stainless steel piston (of circular cross section) and a hollow cylinder of the same material, coaxial to the former and of the same surface roughness. Three different values for the roughness were tested: 1.2, 10 and 30 μm Ry (maximum asperities height), chosen as representative values for typical surface conditions, from smooth to normally corroded steel. Creep tests (0.2, 0.3, 0.4 and 0.6 kN) were conducted at T = -10 ºC. By pushing the piston head towards the cylinder base, three different types of relative movement were observed: 1) the piston slid through the ice, 2) the piston slid through the ice and the ice slid on the surface of the outer cylinder, 3) the ice slid only on the cylinder surface. A cyclic stick-slip motion of the piston was detected with a representative frequency of 0.1 Hz. The ratio of the mean rate of axial displacement to the frequency of the stick-slip oscillations was found to be comparable to the roughness length (Sm). The roughness is the most influential parameter affecting the amplitude of the oscillations, while the load has a relevant influence on the their frequency. Guidelines for further investigations were recommended. Marco Nanetti - seloselo@virgilio.it

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.

Caratteristiche micromeccaniche di giunzioni friction welding

Studio della caratterizzazione micromeccanica di provini in alluminio 6082 T6 saldati con la tecnica della rotary friction welding, tecnica innovativa nell’ambito delle tecnologie di giunzione solida, che sfrutta il principio della saldatura per attrito. Dopo un'introduzione teorica sulle principali tematiche affrontate e sui principali sistemi di misura usati, verranno effettuate micrografie dei giunti e prove di microdurezza sugli stessi. Si termina riportando i grafici delle microdurezze trovate, in modo da poter confrontare i risultati ottenuti con le caratteristiche del materiale base. Da questi si osserva che: nonostante la qualità accettabile dei giunti, le elevate temperature raggiunte durante la saldatura hanno alterato il trattamento termico del materiale base, che da T6 assume caratteristiche più simili a un T4. In altre parole il materiale saldato presenta caratteristiche micromeccaniche inferiori a quelle nominalmente assegnabili al materiale base.

Analisi di microdurezza su giunti friction welding

Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo la caratterizzazione microstrutturale di una serie di giunti realizzati tramite un innovativo processo di saldatura allo stato solido denominato Rotary Friction Welding. In tale ricerca si descrive il percorso seguito per arrivare a tale caratterizzazione partendo da una discussione delle principali tecniche di saldatura, in particolare quelle per attrito, per passare poi ad un’analisi dettagliata della fase di creazione dei giunti saldati e della successiva fase dedicata alla verifica microstrutturale. I risultati ottenuti, ci forniranno indici di confronto sulla qualità del materiale, sui processi tecnologici, sui trattamenti e su alcune fondamentali proprietà meccaniche

"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.

Simulazione FEM e validazione sperimentale del processo di friction welding

Nel seguente elaborato si propone lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM) del processo di friction welding del quale, attraverso i dati rilevati da prove sperimentali di validazione termica, vengono valutati i parametri ottimali di simulazione. Ai risultati così ottenuti vengono applicati anche algoritmi per la valutazione della microstruttura e della qualità della saldatura, sviluppati originariamente per l'analisi dell'estrusione: in entrambi i casi a seguito del confronto con le analisi metallografiche dei provini è stato possibile validare ulteriormente il modello creato.

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.

Simulazione numerica del processo rotary friction welding

Costruzione di un modello numerico base per la simulazione del processo Rotary Friction Welding.