Analisi dell’influenza dei moti rigidi di una trattrice agricola sulle vibrazioni a corpo intero trasmesse all’operatore

L’esposizione degli operatori in campo agricolo alle vibrazioni trasmesse al corpo intero, produce effetti dannosi alla salute nel breve e nel lungo termine. Le vibrazioni che si generano sulle trattrici agricole hanno una elevata intensità e una bassa frequenza. Le componenti orizzontali, amplificate dalla posizione elevata della postazione di guida dall’asse di rollio, presentano maggiori criticità per quanto riguarda i sistemi di smorzamento rispetto alle componenti verticali. Queste caratteristiche rendono difficoltosa la progettazione dei sistemi dedicati alla riduzione del livello vibrazionale per questa categoria di macchine agricole. Nonostante l’installazione di diversi sistemi di smorzamento, il livello di vibrazioni a cui è sottoposto l’operatore può superare, in diverse condizioni di impiego, i livelli massimi imposti dalla legge per la salvaguardia della salute. L’obiettivo di questo lavoro è quello di valutare l’influenza dei moti rigidi di una trattrice (beccheggio, rollio e saltellamento) dotata di sospensione assale anteriore, sospensione cabina e sospensione sedile, sul livello vibrazionale trasmesso all’operatore.E’ stata pertanto strumenta una trattrice con accelerometri e inclinometri installati su telaio, cabina e sedile e utilizzata in diverse condizioni di lavoro in campo e di trasporto su strada. Dall’analisi delle prove effettuate emerge che durante il trasporto su strada è predominante l’accelerazione longitudinale, a causa dell’elevata influenza del beccheggio. La sospensione riduce notevolmente il moto rigido di beccheggio mentre l’effetto della sospensione della cabina è quello di incrementare, in ogni condizione di lavoro, il livello di accelerazione trasmesso dal telaio della macchina.

Progettazione di poltrona ad inseguimento solare collocata su ponte navale

Progetto e dimensionamento di una poltrona ad inseguimento solare. Scelta del meccanismo da adottare per la movimentazione automatica dello schienale e della seduta.

Development of control-oriented models of Dual Clutch Transmission systems

A control-oriented model of a Dual Clutch Transmission was developed for real-time Hardware In the Loop (HIL) applications, to support model-based development of the DCT controller. The model is an innovative attempt to reproduce the fast dynamics of the actuation system while maintaining a step size large enough for real-time applications. The model comprehends a detailed physical description of hydraulic circuit, clutches, synchronizers and gears, and simplified vehicle and internal combustion engine sub-models. As the oil circulating in the system has a large bulk modulus, the pressure dynamics are very fast, possibly causing instability in a real-time simulation; the same challenge involves the servo valves dynamics, due to the very small masses of the moving elements. Therefore, the hydraulic circuit model has been modified and simplified without losing physical validity, in order to adapt it to the real-time simulation requirements. The results of offline simulations have been compared to on-board measurements to verify the validity of the developed model, that was then implemented in a HIL system and connected to the TCU (Transmission Control Unit). Several tests have been performed: electrical failure tests on sensors and actuators, hydraulic and mechanical failure tests on hydraulic valves, clutches and synchronizers, and application tests comprehending all the main features of the control performed by the TCU. Being based on physical laws, in every condition the model simulates a plausible reaction of the system. The first intensive use of the HIL application led to the validation of the new safety strategies implemented inside the TCU software. A test automation procedure has been developed to permit the execution of a pattern of tests without the interaction of the user; fully repeatable tests can be performed for non-regression verification, allowing the testing of new software releases in fully automatic mode.

A numerical methodology for the multi-objective optimization of the DI Diesel engine combustion

DI Diesel engine are widely used both for industrial and automotive applications due to their durability and fuel economy. Nonetheless, increasing environmental concerns force that type of engine to comply with increasingly demanding emission limits, so that, it has become mandatory to develop a robust design methodology of the DI Diesel combustion system focused on reduction of soot and NOx simultaneously while maintaining a reasonable fuel economy. In recent years, genetic algorithms and CFD three-dimensional combustion simulations have been successfully applied to that kind of problem. However, combining GAs optimization with actual CFD three-dimensional combustion simulations can be too onerous since a large number of calculations is usually needed for the genetic algorithm to converge, resulting in a high computational cost and, thus, limiting the suitability of this method for industrial processes. In order to make the optimization process less time-consuming, CFD simulations can be more conveniently used to generate a training set for the learning process of an artificial neural network which, once correctly trained, can be used to forecast the engine outputs as a function of the design parameters during a GA optimization performing a so-called virtual optimization. In the current work, a numerical methodology for the multi-objective virtual optimization of the combustion of an automotive DI Diesel engine, which relies on artificial neural networks and genetic algorithms, was developed.

Sviluppo di sistemi per l'analisi della combustione in tempo reale per motori endotermici alternativi

I moderni motori a combustione interna diventano sempre più complessi L'introduzione della normativa antinquinamento EURO VI richiederà una significativa riduzione degli inquinanti allo scarico. La maggiore criticità è rappresentata dalla riduzione degli NOx per i motori Diesel da aggiungersi a quelle già in vigore con le precedenti normative. Tipicamente la messa a punto di una nuova motorizzazione prevede una serie di test specifici al banco prova. Il numero sempre maggiore di parametri di controllo della combustione, sorti come conseguenza della maggior complessità meccanica del motore stesso, causa un aumento esponenziale delle prove da eseguire per caratterizzare l'intero sistema. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di realizzare un sistema di analisi della combustione in tempo reale in cui siano implementati diversi algoritmi non ancora presenti nelle centraline moderne. Tutto questo facendo particolare attenzione alla scelta dell'hardware su cui implementare gli algoritmi di analisi. Creando una piattaforma di Rapid Control Prototyping (RCP) che sfrutti la maggior parte dei sensori presenti in vettura di serie; che sia in grado di abbreviare i tempi e i costi della sperimentazione sui motopropulsori, riducendo la necessità di effettuare analisi a posteriori, su dati precedentemente acquisiti, a fronte di una maggior quantità di calcoli effettuati in tempo reale. La soluzione proposta garantisce l'aggiornabilità, la possibilità di mantenere al massimo livello tecnologico la piattaforma di calcolo, allontanandone l'obsolescenza e i costi di sostituzione. Questa proprietà si traduce nella necessità di mantenere la compatibilità tra hardware e software di generazioni differenti, rendendo possibile la sostituzione di quei componenti che limitano le prestazioni senza riprogettare il software.

High-Speed Laser Processing of Thin Single and Multi-Layer Films

Theoretical models are developed for the continuous-wave and pulsed laser incision and cut of thin single and multi-layer films. A one-dimensional steady-state model establishes the theoretical foundations of the problem by combining a power-balance integral with heat flow in the direction of laser motion. In this approach, classical modelling methods for laser processing are extended by introducing multi-layer optical absorption and thermal properties. The calculation domain is consequently divided in correspondence with the progressive removal of individual layers. A second, time-domain numerical model for the short-pulse laser ablation of metals accounts for changes in optical and thermal properties during a single laser pulse. With sufficient fluence, the target surface is heated towards its critical temperature and homogeneous boiling or "phase explosion" takes place. Improvements are seen over previous works with the more accurate calculation of optical absorption and shielding of the incident beam by the ablation products. A third, general time-domain numerical laser processing model combines ablation depth and energy absorption data from the short-pulse model with two-dimensional heat flow in an arbitrary multi-layer structure. Layer removal is the result of both progressive short-pulse ablation and classical vaporisation due to long-term heating of the sample. At low velocity, pulsed laser exposure of multi-layer films comprising aluminium-plastic and aluminium-paper are found to be characterised by short-pulse ablation of the metallic layer and vaporisation or degradation of the others due to thermal conduction from the former. At high velocity, all layers of the two films are ultimately removed by vaporisation or degradation as the average beam power is increased to achieve a complete cut. The transition velocity between the two characteristic removal types is shown to be a function of the pulse repetition rate. An experimental investigation validates the simulation results and provides new laser processing data for some typical packaging materials.

The Dynamics of Passive Torsional Fatigue Test Rigs: Innovative Applications of Universal Joints

The dynamics of a passive back-to-back test rig have been characterised, leading to a multi-coordinate approach for the analysis of arbitrary test configurations. Universal joints have been introduced into a typical pre-loaded back-to-back system in order to produce an oscillating torsional moment in a test specimen. Two different arrangements have been investigated using a frequency-based sub-structuring approach: the receptance method. A numerical model has been developed in accordance with this theory, allowing interconnection of systems with two-coordinates and closed multi-loop schemes. The model calculates the receptance functions and modal and deflected shapes of a general system. Closed form expressions of the following individual elements have been developed: a servomotor, damped continuous shaft and a universal joint. Numerical results for specific cases have been compared with published data in literature and experimental measurements undertaken in the present work. Due to the complexity of the universal joint and its oscillating dynamic effects, a more detailed analysis of this component has been developed. Two models have been presented. The first represents the joint as two inertias connected by a massless cross-piece. The second, derived by the dynamic analysis of a spherical four-link mechanism, considers the contribution of the floating element and its gyroscopic effects. An investigation into non-linear behaviour has led to a time domain model that utilises the Runge-Kutta fourth order method for resolution of the dynamic equations. It has been demonstrated that the torsional receptances of a universal joint, derived using the simple model, result in representation of the joint as an equivalent variable inertia. In order to verify the model, a test rig has been built and experimental validation undertaken. The variable inertia of a universal joint has lead to a novel application of the component as a passive device for the balancing of inertia variations in slider-crank mechanisms.

Theoretical and Experimental Analysis of micro-CHP Energy Systems

In the framework of the micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems and the Distributed Generation (GD) concept, an Integrated Energy System (IES) able to meet the energy and thermal requirements of specific users, using different types of fuel to feed several micro-CHP energy sources, with the integration of electric generators of renewable energy sources (RES), electrical and thermal storage systems and the control system was conceived and built. A 5 kWel Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been studied. Using experimental data obtained from various measurement campaign, the electrical and CHP PEMFC system performance have been determinate. The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell. Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed using an algorithm that considers the FC like a black box, and it is able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce that. Using experimental data that cover a two-year time span, the ageing suffered by the FC system has been tested and analyzed.

Modellazione Tridimensionale del Processo di Combustione di un Razzo a Propellente Solido

La regolazione dei sistemi di propulsione a razzo a propellente solido (Solid Rocket Motors) ha da sempre rappresentato una delle principali problematiche legate a questa tipologia di motori. L’assenza di un qualsiasi genere di controllo diretto del processo di combustione del grano solido, fa si che la previsione della balistica interna rappresenti da sempre il principale strumento utilizzato sia per definire in fase di progetto la configurazione ottimale del motore, sia per analizzare le eventuali anomalie riscontrate in ambito sperimentale. Variazioni locali nella struttura del propellente, difettosità interne o eterogeneità nelle condizioni di camera posso dare origine ad alterazioni del rateo locale di combustione del propellente e conseguentemente a profili di pressione e di spinta sperimentali differenti da quelli previsti per via teorica. Molti dei codici attualmente in uso offrono un approccio piuttosto semplificato al problema, facendo per lo più ricorso a fattori correttivi (fattori HUMP) semi-empirici, senza tuttavia andare a ricostruire in maniera più realistica le eterogeneità di prestazione del propellente. Questo lavoro di tesi vuole dunque proporre un nuovo approccio alla previsione numerica delle prestazioni dei sistemi a propellente solido, attraverso la realizzazione di un nuovo codice di simulazione, denominato ROBOOST (ROcket BOOst Simulation Tool). Richiamando concetti e techiche proprie della Computer Grafica, questo nuovo codice è in grado di ricostruire in processo di regressione superficiale del grano in maniera puntuale, attraverso l’utilizzo di una mesh triangolare mobile. Variazioni locali del rateo di combustione posso quindi essere facilmente riprodotte ed il calcolo della balistica interna avviene mediante l’accoppiamento di un modello 0D non-stazionario e di uno 1D quasi-stazionario. L’attività è stata svolta in collaborazione con l’azienda Avio Space Division e il nuovo codice è stato implementato con successo sul motore Zefiro 9.

Model reduction techniques in flexible multibody dynamics with application to engine cranktrain simulation

The development of a multibody model of a motorbike engine cranktrain is presented in this work, with an emphasis on flexible component model reduction. A modelling methodology based upon the adoption of non-ideal joints at interface locations, and the inclusion of component flexibility, is developed: both are necessary tasks if one wants to capture dynamic effects which arise in lightweight, high-speed applications. With regard to the first topic, both a ball bearing model and a journal bearing model are implemented, in order to properly capture the dynamic effects of the main connections in the system: angular contact ball bearings are modelled according to a five-DOF nonlinear scheme in order to grasp the crankshaft main bearings behaviour, while an impedance-based hydrodynamic bearing model is implemented providing an enhanced operation prediction at the conrod big end locations. Concerning the second matter, flexible models of the crankshaft and the connecting rod are produced. The well-established Craig-Bampton reduction technique is adopted as a general framework to obtain reduced model representations which are suitable for the subsequent multibody analyses. A particular component mode selection procedure is implemented, based on the concept of Effective Interface Mass, allowing an assessment of the accuracy of the reduced models prior to the nonlinear simulation phase. In addition, a procedure to alleviate the effects of modal truncation, based on the Modal Truncation Augmentation approach, is developed. In order to assess the performances of the proposed modal reduction schemes, numerical tests are performed onto the crankshaft and the conrod models in both frequency and modal domains. A multibody model of the cranktrain is eventually assembled and simulated using a commercial software. Numerical results are presented, demonstrating the effectiveness of the implemented flexible model reduction techniques. The advantages over the conventional frequency-based truncation approach are discussed.

Synthesis of Hand Exoskeletons for the Rehabilitation of Post-Stroke Patients

This dissertation presents the synthesis of a hand exoskeleton (HE) for the rehabilitation of post-stroke patients. Through the analysis of state-of-the-art, a topological classification was proposed. Based on the proposed classification principles, the rehabilitation HEs were systematically analyzed and classified. This classification is helpful to both understand the reason of proposing certain solutions for specific applications and provide some useful guidelines for the design of a new HE, that was actually the primary motivation of this study. Further to this classification, a novel rehabilitation HE was designed to support patients in cylindrical shape grasping tasks with the aim of recovering the basic functions of manipulation. The proposed device comprises five planar mechanisms, one per finger, globally actuated by two electric motors. Indeed, the thumb flexion/extension movement is controlled by one actuator whereas a second actuator is devoted to the control of the flexion/extension of the other four fingers. By focusing on the single finger mechanism, intended as the basic model of the targeted HE, the feasibility study of three different 1 DOF mechanisms are analyzed: a 6-link mechanism, that is connected to the human finger only at its tip, an 8-link and a 12-link mechanisms where phalanges and articulations are part of the kinematic chain. The advantages and drawbacks of each mechanism are deeply analyzed with respect to targeted requirements: the 12-link mechanism was selected as the most suitable solution. The dimensional synthesis based on the Burmester theory as well as kinematic and static analyses were separately done for all fingers in order to satisfy the desired specifications. The HE was finally designed and a prototype was built. The experimental results of the first tests are promising and demonstrate the potential for clinical applications of the proposed device in robot-assisted training of the human hand for grasping functions.

Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

Ottimizzazione aerodinamica del rotore principale dell'elicottero RC Goblin Speed

L'elimodellismo è una passione che lega un numero sempre maggiore di persone: nuove manifestazioni vengono organizzate in tutto il mondo e nuove discipline vengono continuamente proposte. Questo è il caso della disciplina speed in cui i piloti si sfidano a far volare i propri elimodelli alle massime velocità. L'azienda SAB Heli Division s.r.l., come produttore di pale per elimodelli e della serie di elicotteri Goblin, ha interesse a sostenere i propri piloti con le proprie macchine, facendo sì che siano veloci e competitive. Per questo ha voluto sviluppare una pala che, montata sul proprio elicottero specifico per questa disciplina, possa vincere la concorrenza con l'ambizione di stabilire un primato di velocità a livello internazionale. Il problema è quindi quello di sviluppare una pala che ottimizzasse al meglio le caratteristiche dell'elimodello Goblin Speed, in modo da sfruttare al meglio la potenza installata a bordo. Per via dei limiti sui mezzi a disposizione l'ottimizzazione è stata portata avanti mediante la teoria dell'elemento di pala. Si è impostato il calcolo determinando la potenza media su una rotazione del rotore in volo avanzato a 270 km/h e quindi attraverso gli algoritmi di ottimizzazione globale presenti nel codice di calcolo MATLAB si è cercato il rotore che permettesse il volo a tale velocità al variare del raggio del disco del rotore, dello svergolamento della pala e della distribuzione di corda lungo la pala. Per far sì che si abbiano risultati più precisi si sono sfruttati alcuni modelli per stimare il campo di velocità indotta o gli effetti dello stallo dinamico. Inoltre sono state stimate altre grandezze di cui non sono noti i dati reali o di cui è troppo complesso, per le conoscenze a disposizione, avere un dato preciso. Si è tuttavia cercato di avere stime verosimili. Alcune di queste grandezze sono le caratteristiche aerodinamiche del profilo NACA 0012 utilizzato, ottenute mediante analisi CFD bidimensionale, i comandi di passo collettivo e ciclico che equilibrano il velivolo e la resistenza aerodinamica dell'intero elimodello. I risultati del calcolo sono stati confrontati innanzitutto con le soluzioni già adottate dall'azienda. Quindi si è proceduto alla realizzazione della pala e mediante test di volo si è cercato di valutare le prestazioni della macchina che monta la pala ottenuta. Nonostante le approssimazioni adottate si è osservato che la pala progettata a partire dai risultati dell'ottimizzazione rispecchia la filosofia adottata: per velocità paragonabili a quelle ottenute con le pale prodotte da SAB Heli Division, le potenze richieste sono effettivamente inferiori. Tuttavia non è stato possibile ottenere un vero e proprio miglioramento della velocità di volo, presumibilmente a causa delle stime delle caratteristiche aerodinamiche delle diverse parti del Goblin Speed.

Non-Linear Analysis and Design of Synchronous Bearingless Multiphase Permanent Magnet Machines and Drives

A two-dimensional model to analyze the distribution of magnetic fields in the airgap of a PM electrical machines is studied. A numerical algorithm for non-linear magnetic analysis of multiphase surface-mounted PM machines with semi-closed slots is developed, based on the equivalent magnetic circuit method. By using a modular structure geometry, whose the basic element can be duplicated, it allows to design whatever typology of windings distribution. In comparison to a FEA, permits a reduction in computing time and to directly changing the values of the parameters in a user interface, without re-designing the model. Output torque and radial forces acting on the moving part of the machine can be calculated. In addition, an analytical model for radial forces calculation in multiphase bearingless Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motors (SPMSM) is presented. It allows to predict amplitude and direction of the force, depending on the values of torque current, of levitation current and of rotor position. It is based on the space vectors method, letting the analysis of the machine also during transients. The calculations are conducted by developing the analytical functions in Fourier series, taking all the possible interactions between stator and rotor mmf harmonic components into account and allowing to analyze the effects of electrical and geometrical quantities of the machine, being parametrized. The model is implemented in the design of a control system for bearingless machines, as an accurate electromagnetic model integrated in a three-dimensional mechanical model, where one end of the motor shaft is constrained to simulate the presence of a mechanical bearing, while the other is free, only supported by the radial forces developed in the interactions between magnetic fields, to realize a bearingless system with three degrees of freedom. The complete model represents the design of the experimental system to be realized in the laboratory.

Studio di fattibilità del gruppo di sterzo di un rasaerba professionale

Studio del gruppo di sterzo di un nuovo trattore rasaerba professionale della Grillo S.p.A., azienda che opera nell'ambito dell'agricoltura e del giardinaggio. Lo studio consta principalmente nella definizione di una geometria di sterzo efficace in grado di garantire alla macchina rasaerba il più piccolo raggio di sterzata possibile, compatibilmente con gli ingombri e le dimensioni della macchina stessa, il cui vantaggio consiste nel permettere la realizzazione di traiettorie strette in prossimità di alberi e nell'intorno di ostacoli che possono essere presenti lungo i percorsi di taglio, caratteristica molto ricercata dai clienti ed indispensabile per ottenere alta guidabilità del veicolo e rasatura uniforme del manto erboso senza la necessità di interventi manuali. Le ruote sterzanti di un veicolo risultano parallele solo in condizioni di traiettorie rettilinee mentre in corrispondenza di traiettorie curve tendono ad assumere angoli diversi, venendo a mancare in questo modo il parallelismo. E' oggetto di questa trattazione determinare i valori degli angoli necessari per ottenere un determinato raggio di curvatura e definire di conseguenza il sistema articolato in grado di far seguire alle ruote l'andamento di questi angoli. L'obiettivo è quindi il miglioramento e l'evoluzione del gruppo di sterzo presente sulle macchine della stessa gamma cercando di realizzare un prodotto meccanicamente più semplice e con un comportamento regolare ed uniforme in funzione del verso di sterzata; l'analisi degli sforzi e le successive verifiche strutturali, anche mediante l'impiego di software FEM dei componenti soggetti a carichi variabili con il variare della sterzata, permetteranno di convalidarne l'integrità e l'effettiva resistenza alle sollecitazioni. I componenti primari dell'assale necessiteranno di essere verificati anche nel caso di carichi dinamici (urti) in situazioni particolarmente gravose tipiche di incidenti e rotture delle macchine Grillo avvenuti in fase di lavoro o nel caso di manovre incaute. La movimentazione del veicolo avverrà per mezzo di quattro motori idraulici due dei quali verranno installati in corrispondenza dei fuselli dell'assale sterzante: ciò comporterà il dimensionamento di tali motori al fine di garantire non solo la percorrenza del mezzo con una determinata velocità ma anche il taglio lungo salite di pendenza discreta, condizioni di lavoro ordinarie di molti utilizzatori.