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.

Structural analysis of a UAV wing through image processing and FEM

Analisi strutturale dell’ala di un UAV (velivolo senza pilota a bordo), sviluppata usando varie metodologie: misurazioni sperimentali statiche e dinamiche, e simulazioni numeriche con l’utilizzo di programmi agli elementi finiti. L’analisi statica è stata a sua volta portata avanti seguendo due differenti metodi: la classica e diretta determinazione degli spostamenti mediante l’utilizzo di un catetometro e un metodo visivo, basato sull’elaborazione di immagini e sviluppato appositamente a tale scopo in ambiente Matlab. Oltre a ciò è stata svolta anche una analisi FEM volta a valutare l’errore che si ottiene affrontando il problema con uno studio numerico. Su tale modello FEM è stata svolta anche una analisi di tipo dinamico con lo scopo di confrontare tali dati con i dati derivanti da un test dinamico sperimentale per ottenere informazioni utili per una seguente possibile analisi aeroelastica.

Semplificazione della geometria per l'analisi modale FEM di un carter motociclistico

Creazione di un modello semplificato per l’analisi modale FEM di un carter motociclistico. La scelta degli elementi da considerare nel modello è stata fatta in funzione della loro importanza in termini di variazione di massa del basamento completo, elemento fondamentale che ha influenzato anche la scelta delle semplificazioni da apportare ai vari elementi.

Analisi FEM 3D d'interazione terreno-struttura: effetti dello scavo di una galleria sotto edifici in muratura

La presente tesi ha riguardato lo studio numerico con un modello 3D dell' interazione tra lo scavo di una galleria urbana e un edificio esistente in muratura, la Stazione di Ferrara Porta Reno (risalente ai primi del '900). A tale scopo è stato utilizzato il programma di calcolo agli elementi finiti Plaxis 3D. Nello studio numerico, per il terreno è stato adottato un modello costitutivo avanzato elasto-plastico con incrudimento isotropo, l’Hardening soil model with small strain stiffness, mentre per la muratura e stato utilizzato il criterio di Mohr-Coulomb. Inoltre, lo scavo della galleria è stato simulato con una procedura per passi, tenendo in conto i principali aspetti del processo. La subsidenza in superficie è stata controllata applicando una contrazione fittizia lungo lo scudo. E’ stata svolta un'analisi numerica in condizione di campo libero, ossia in assenza di strutture, al fine di valutare i movimenti del terreno indotti dal processo di scavo; successivamente sono state eseguite diverse analisi accoppiate, in condizioni di simmetria e con eccentricità della costruzione rispetto all'asse della galleria, per studiare il complesso fenomeno di interazione galleria-terreno-struttura. I risultati di tali analisi accoppiate sono stati utilizzati per effettuare una stima del livello di danno atteso per l'edificio. Le analisi numeriche condotte hanno messo in luce, confermando quanto già noto in letteratura, che la presenza di un edificio a piano campagna interagente con l’opera di scavo modifica la forma del profilo dei cedimenti relativa alle condizioni di campo libero. Tale modifica, che dipende dalle specifiche caratteristiche di rigidezza e peso della struttura presa in esame, generalmente si traduce in una riduzione del cedimento differenziale che può influenzare in modo significativo la stima del danno sull’edificio. Ciò è tanto più evidente, quanto maggiore è la perdita di volume indotta dallo scavo della galleria.

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.

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.

Energy harvesting through arterial wall deformation: A FEM approach to fluid–structure interactions and magneto-hydrodynamics

Engineers are confronted with the energy demand of active medical implants in patients with increasing life expectancy. Scavenging energy from the patient’s body is envisioned as an alternative to conventional power sources. Joining in this effort towards human-powered implants, we propose an innovative concept that combines the deformation of an artery resulting from the arterial pressure pulse with a transduction mechanism based on magneto-hydrodynamics. To overcome certain limitations of a preliminary analytical study on this topic, we demonstrate here a more accurate model of our generator by implementing a three-dimensional multiphysics finite element method (FEM) simulation combining solid mechanics, fluid mechanics, electric and magnetic fields as well as the corresponding couplings. This simulation is used to optimize the generator with respect to several design parameters. A first validation is obtained by comparing the results of the FEM simulation with those of the analytical approach adopted in our previous study. With an expected overall conversion efficiency of 20% and an average output power of 30 μW, our generator outperforms previous devices based on arterial wall deformation by more than two orders of magnitude. Most importantly, our generator provides sufficient power to supply a cardiac pacemaker.

The hp-adaptive FEM based on continuous Sobolev embeddings: isotropic refinements

The aim of this paper is to present a new class of smoothness testing strategies in the context of hp-adaptive refinements based on continuous Sobolev embeddings. In addition to deriving a modified form of the 1d smoothness indicators introduced in [26], they will be extended and applied to a higher dimensional framework. A few numerical experiments in the context of the hp-adaptive FEM for a linear elliptic PDE will be performed.

FEM/FD Immersed Boundary FSI Simulations

Immersed boundary simulations have been under development for physiological flows, allowing for elegant handling of fluid-structure interaction modelling with large deformations due to retained domain-specific meshing. We couple a structural system in Lagrangian representation that is formulated in a weak form with a Navier-Stokes system discretized through a finite differences scheme. We build upon a proven highly scalable imcompressible flow solver that we extend to handle FSI. We aim at applying our method to investigating the hemodynamics of Aortic Valves. The code is going to be extended to conform to the new hybrid-node supercomputers.

Estudios de confort de vehículos ferroviarios mediante técnicas combinadas de simulación FEM y MBS

La elasticidad de la caja de viajeros de los vehículos ferroviarios tiene una gran influencia sobre el confort. Por esta razón, cuando se desea simular el comportamiento dinámico del vehículo para estudios de confort, resulta conveniente construir un modelo elástico de caja, a fin de obtener resultados más precisos. La construcción de este tipo de modelos pasa por el desarrollo de dos etapas fundamentales, que comprenden la generación de un modelo de caja mediante la técnica de los elementos finitos (FEM) para su caracterización dinámica como cuerpo elástico y la definición de un modelo de sistema multicuerpo (MBS) que englobe los restantes componentes del vehículo. En este artículo se presentan los resultados obtenidos en un estudio comparativo llevado a cabo con modelos de caja rígida y elástica, en los que se ha valorado el nivel de confort obtenido con ambas configuraciones. Para ello, se ha simulado el comportamiento del vehículo a dos velocidades distintas, de 70 y 110km/h, y con dos niveles de irregularidades. Se han analizado las aceleraciones de la caja, que se han procesado de acuerdo a las especificaciones de la norma EN12299, a fin de obtener el índice de comodidad. Este parámetro se ha utilizado para comparar el nivel de confort obtenido con ambos modelos, habiéndose encontrado una gran diferencia en los índices calculados con caja rígida y con caja elástica, lo que confirma la gran influencia de la elasticidad de la caja en los estudios de confort llevados a cabo mediante técnicas de simulación dinámica.

Development of FEM/BEM and SEA models from experimental results for structural elements with attached equipment

This work focuses on the analysis of a structural element of MetOP-A satellite. Given the special interest in the influence of equipment installed on structural elements, the paper studies one of the lateral faces on which the Advanced SCATterometer (ASCAT) is installed. The work is oriented towards the modal characterization of the specimen, describing the experimental set-up and the application of results to the development of a Finite Element Method (FEM) model to study the vibro-acoustic response. For the high frequency range, characterized by a high modal density, a Statistical Energy Analysis (SEA) model is considered, and the FEM model is used when modal density is low. The methodology for developing the SEA model and a compound FEM and Boundary Element Method (BEM) model to provide continuity in the medium frequency range is presented, as well as the necessary updating, characterization and coupling between models required to achieve numerical models that match experimental results.