Sistema di accumulo ad alta densità per un prototipo di MotoStudent Electric

L’obiettivo di questo documento è illustrare quali siano stati i metodi di studio, le soluzioni adottate ed i risultati ottenuti durante la progettazione del sistema di accumulo per il prototipo di motocicletta da corsa elettrica “Alpha Leonis”, con cui la squadra corse dell’Università di Bologna UniBo Motorsport ha partecipato alla V edizione del campionato mondiale studentesco MotoStudent. Inizialmente verrà descritto il contesto della competizione e verranno analizzati i vincoli regolamentari che influiscono sulla realizzazione del componente in oggetto. In seguito verrà mostrata la vera e propria fase di progettazione nella quale, dopo aver effettuato prove di caratterizzazione sulla singola cella, sono stati realizzati gli elementi strutturali ed i sistemi di controllo e monitoraggio. La parola d’ordine in questa fase è “motorsport”, che raccoglie in sé la volontà di creare un componente tecnologicamente all’avanguardia che, oltre a garantire l’autonomia necessaria, ottimizzi il laptime e porti il prototipo in testa alla classifica. È questo il motivo per cui il sistema di accumulo descritto nella seguente trattazione viene definito come “ad alta densità”, ossia con target di energia e potenza per unità di massa superiori alle alternative commerciali attualmente disponibili sul mercato. Infine, per verificare la qualità e l’efficacia del lavoro svolto, verranno descritti i test sul banco a rulli ed in pista che hanno dimostrato il corretto funzionamento del componente e che sono stati sfruttati per completare l’ottimizzazione del sistema di controllo in vista dell’evento finale ad Aragòn Motorland.

Analisi dinamica e verifica di un prototipo di macchina automatica per la realizzazione di batterie

Lo scopo di questa tesi è quello di verificare il corretto dimensionamento dei cuscinetti e delle guide lineari di un gruppo all’interno di una macchina automatica brevettata e realizzata da Manz Srl, azienda in collaborazione con la quale è stato svolto il progetto. La macchina automatica in esame è parte di una linea di produzione di batterie rettangolari a partire da nastri di materia prima e impiega l’innovativo processo di wound stacking. Per eseguire la verifica dei componenti è stato necessario effettuare una simulazione dinamica con il software MSC Adams, grazie al quale si sono potute calcolare le reazioni vincolari. In parallelo al modello Adams, è stato realizzato anche un modello MATLAB, con cui poter confrontare i risultati del software multibody per validarli. Stabiliti i periodi previsti di manutenzione della linea e un coefficiente di sicurezza richiesto, si sono individuati i componenti che non rispettavano le specifiche dei progettisti. Alla fine della tesi si propongono anche delle soluzioni per la sostituzione di alcuni componenti.

Analisi del non-equilibrio termico locale nella conduzione non-stazionaria in uno strato poroso

Lo scopo di questo lavoro di tesi si focalizza sullo studio, sia dal punto di vista analitico che da quello numerico, della conduzione del calore non stazionaria di un mezzo poroso rettangolare saturo di fluido. Per descrivere tale fenomeno sono state adoperate le equazioni di bilancio dell’energia modellate tramite la teoria del non-equilibrio termico locale, cioè una coppia di equazioni di bilancio dell’energia sia per la fase solida sia per la fase fluida, dipendenti l’una dall’altra in quanto legate dal termine generativo di interfase. La necessità di avere due equazioni di bilancio dell’energia è dovuta a una caratteristica importante dei processi di trasferimento del calore in una schiuma metallica. In questo elaborato verranno risolte numericamente le equazioni di biliancio dell’energia del non-equilibrio termico locale, tramite l’ausilio del programma di calcolo MATLAB e il suo solutore “pdepe”, indagando e proponendo una soluzione al “paradosso” introdotto da Vadazs* nel suo articolo. Tale paradosso si presenta quando si risolvono analiticamente le equazioni di bilancio dell’energia del non-equilibrio termico locale applicando due metodi differenti: il metodo di sostituzione delle variabili e il metodo di separazione delle variabili dipendenti. Dai risultati ottenuti da Vadasz emerge una discrepanza tra i due metodi in quanto uno dei due porta a predire un comportamento di equilibrio termico tra le due fasi a ogni istante di tempo, mentre l’altro predirebbe un comportamento di non-equilibrio termico locale tra le due fasi, particolarmente evidente nei primi istanti di tempo. Successivamente si è analizzato il problema di conduzione studiandone la variazione dei transitori termici del campo di temperatura della fase solida e dalla fase fluida al mutare dei parametri adimensionali che caratterizzano le equazioni di bilancio dell’energia nella sue forme adimensionalizzate.

Prototipo di modem basato su standard LoRa

La tesi si suddivide in due parti. Nella prima parte vengono spiegati trasmettitore e ricevitore basati su standard LoRa, con particolare attenzione alle fasi di modulazione/ demodulazione, sincronismo e correzione della frequenza portante. Nella seconda parte si cerca di implementare il sistema discusso tramite due dispositivi programmati attraverso Matlab.

Analisi energetica al variare dello state of charge di propulsori ibridi e plug-in operanti nel ciclo WLTP con propulsore termico a punto fisso stechiometrico

Il presente lavoro propone la stesura di un codice in ambiente MATLAB per l'analisi energetica di powertrain ibridi operanti nel ciclo WLTP con il particolare funzionamento del motore termico benzina a punto fisso stechiometrico. Nello specifico, il codice prende dei dati in input tramite un'interfaccia grafica ed avvia una simulazione, i cui risultati principali corrispondono ad emissioni di anidride carbonica per chilometro percorso ed ai chilometri percorsi con un litro di carburante. Queste sono le due grandezze che questo lavoro si prefigge di ottimizzare, dalle quali proviene la scelta del particolare funzionamento del motore termico. Sono state implementate due differenti strategie di controllo, una generale ed una più particolare. La simulazione con la strategia generale è stata applicata a tre differenti scenari reali, con le caratteristiche tecniche di tre veicoli realmente esistenti che vengono inserite nell'interfaccia grafica. I risultati provenienti da queste simulazioni sono stati poi analizzati e discussi nel dettaglio, anche con l'ausilio di grafici a supporto della spiegazione. La strategia di controllo particolare non è stata applicata a scenari reali ma ha portato alla definizione di una ipotetica architettura di powertrain ibrido, alla quale la sopracitata strategia si adatta al meglio. Dopo aver proposto miglioramenti e possibili ulteriori sviluppi di questo lavoro, sono state tratte le conclusioni generali, allargando il tutto al contesto più ampio in cui si va ad inserire.

Analisi delle prestazioni di un sistema di accumulo termico

Analisi termofluidodinamica di un accumulatore di calore che utilizza materiali a cambiamento di fase (PCM). I campi di velocità, di temperatura e di titolo, in regime termico non stazionario, relativi al singolo canale, vengono calcolati con un programma basato sul metodo dei volumi finiti, scritto in ambiente di lavoro Matlab. Vengono proposte diverse ottimizzazioni delle performance di accumulo termico, basate su un algoritmo genetico. Le ottimizzazioni sono fatte sia con differenti tipi di parametri di valutazione, sia con differenti gradi del polinomio che descrive la parete del canale; per ogni ottimizzazione l’algoritmo genetico è stato, quindi, utilizzato per determinare i parametri geometrici del canale ottimali. A partire dai risultati ottenuti dalle ottimizzazioni, vengono poi analizzate le prestazioni di canali della stessa geometria, ai quali viene aggiunta un’intelaiatura metallica. Vengono, infine, mostrati i risultati delle simulazioni numeriche fatte.

Studio sperimentale dello stoccaggio di idrogeno in idruri metallici

Negli ultimi decenni, il riscaldamento globale, causato dall’emissioni di gas serra in atmosfera, ha spinto i governi ad agire verso una progressiva sostituzione della generazione elettrica da fonte fossile con quella da rinnovabile. La non programmabilità di alcune fonti rinnovabili ha reso necessario l’utilizzo di tecnologie di accumulo dell’energia elettrica. In particolare, la produzione di idrogeno sembra essere una valida soluzione, ma il suo stoccaggio è uno dei principali ostacoli alla sua diffusione. Tra i diversi metodi di stoccaggio, quello più promettente è quello in idruri metallici. Affinché questa tecnologia diventi competitiva, è però necessario migliorare la cinetica della reazione di assorbimento/desorbimento dell’idrogeno nel sito metallico, attraverso una migliore gestione del calore prodotto/richiesto dalla reazione. In questo contesto, la presente tesi ha come obiettivo l’ottimizzazione del processo di carica di bombole agli idruri metallici, situate all’interno di una microgrid per la generazione e l’accumulo di energia da fotovoltaico, attraverso lo sviluppo di un sistema di controllo della temperatura delle bombole, e la realizzazione di prove sperimentali per valutare i reali benefici che esso comporta, in termini di capacità di stoccaggio e velocità di assorbimento dell’idrogeno. Dopo aver presentato il contesto energetico, lo stato dell’arte degli idruri metallici e la microgrid in cui sono situate le bombole, sono state descritte due versioni diverse del sistema ideato: una versione definitiva, che potrà essere realizzata per eventuali studi futuri, e una versione semplificata, che è stata poi realizzata in laboratorio. È stato descritto nel dettaglio il setup sperimentale, realizzato per svolgere le prove sul processo di carica della bombola, e sono stati poi riportati e confrontati i risultati ottenuti nel caso in cui non si è fatto uso del prototipo e quelli ottenuti nel caso in cui viene invece utilizzato per raffreddare la bombola.

Aspetti microstrutturali, proprietà meccaniche e ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile PH processato con laser powder bed fusion

L’attività di ricerca svolta in questa tesi ha riguardato gli aspetti microstrutturali, le proprietà meccaniche e l’ottimizzazione del trattamento termico di un acciaio inossidabile indurente per precipitazione processato mediante tecnologia additiva Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). I provini, realizzati presso il competence center Bi-REX (Bologna) e lavorati presso il laboratorio di Metallurgia del DIN, sono stati oggetto di vari trattamenti termici sperimentali in cui è stata fatta variare la temperatura e la durata di mantenimento in forno, al fine di identificare la combinazione ottimale di temperatura e tempo sia per la fase di solubilizzazione che di invecchiamento. Nello specifico, la scelta dei parametri di solubilizzazione e invecchiamento è stata fatta solo sulla base dei trend di durezza. Da queste attività sono stati scelti i parametri di trattamento che garantissero elevata durezza, prossima alla massima ottenibile, senza durate di invecchiamento eccessive. L'esito della sperimentazione ha permesso di ridurre sensibilmente temperatura e durata di solubilizzazione rispetto al trattamento benchmark senza penalizzazione della durezza risultante. Dopodiché è stata eseguita una caratterizzazione microstrutturale e meccanica dell’acciaio, in termini di durezza, trazione e resilienza, per confrontare il trattamento termico ottimizzato con la condizione As-Built (AB) e con il trattamento termico standard indicato dal produttore. L’elevata durezza misurata dopo invecchiamento si deve alla presenza di precipitati di rinforzo in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni. Le prove meccaniche hanno confermato l’ottenimento di elevata resistenza a snervamento e a trazione, superiore al benchmark, ma di un basso allungamento a rottura e bassissima resilienza a causa di difetti quali porosità, mancate fusioni e spattering. Infine, lo studio delle superfici di frattura ha permesso di analizzare i meccanismi di rottura dei campioni di trazione e resilienza.

Progettazione e analisi di un forcellone per prototipo di una motocicletta supersportiva.

Questa tesi tratterà principalmente la fase di studio preliminare e successivamente la progettazione del retrotreno di una moto supersportiva. Il lavoro centrale della tesi si è focalizzato quindi sul forcellone posteriore di questa nuova motocicletta. È stato dunque indispensabile valutare, definire e progettare anche altri componenti meccanici ad esso collegati come ad esempio lo schema sospensivo posteriore e l’ingombro dell’impianto di scarico. Alla base di questo progetto c’è la volontà di creare una moto supersportiva con cilindrata pari a 1000 cm3 e capace di erogare oltre 200 cv che possa essere venduta nel mercato europeo ad un prezzo concorrenziale. Per tale scopo sono state prese in considerazione e successivamente studiate in modo molto approfondito motociclette già in commercio capaci di rispettare tali vincoli progettuali. L’evoluzione naturale di tale studio si è fondata sulla valutazione delle diverse scelte progettuali e le diverse metodologie di produzione. Le motociclette sono state scansionate per intero per valutarne le geometrie fondamentali e successivamente è stato creato un modello dei componenti passando da una valutazione preliminare degli ingombri fino ad ottenere dei veri e propri componenti realizzabili attraverso le diverse tecnologie. Il componente è stato simulato attraverso analisi FEM seguendo una procedura standard all’interno dell’azienda che ha permesso di evidenziare le geometrie critiche che successivamente sono state migliorate alla luce di tali risultati. Per ottenere un buon prodotto a livello di leggerezza e proprietà meccaniche si è scelto come materiale la lega di alluminio da fonderia che in futuro sarà anche utilizzata per la produzione di serie. Questo processo produttivo è funzionale per ridurre i costi in fase di realizzazione per una produzione in serie ed un altro importante vantaggio è dato dal fatto che in questo modo si possono evitare spiacevoli fenomeni legati alla saldatura dell’alluminio.

Progettazione e analisi di un telaio per un prototipo di motocicletta supersportiva

Il progetto di tesi è stato svolto all’interno del reparto R&D dell’azienda Modena40, startup con sede a Rimini (RN) che si occupa di design e progettazione di motociclette. Il progetto a cui ho preso parte è stato commissionato dal produttore cinese CF Moto, di cui Modena40 rappresenta il reparto ricerca e sviluppo europeo. Esso riguarda la progettazione di un primo prototipo marciante di motocicletta sportiva, con lo scopo di svolgere test su strada per la definizione di geometrie, ergonomia ed aerodinamica. La progettazione inizierà con un benchmark delle sportive con motore V4 attualmente sul mercato. Successivamente verranno progettate tutte le componenti utili allo studio preliminare. Ho ricoperto il ruolo di ingegnere progettista, con il compito di progettare il telaio e curarne le fasi di prototipazione. Si progetterà un telaio modulare suddiviso in più parti avvitate tra loro, ognuna con un processo di produzione dedicato, per consentire una facile realizzazione e facili modifiche in fase di sviluppo. Il telaio sarà progettato tenendo conto di scelte target come ingombri, ergonomia e calcoli strutturali. All’interno della tesi sarà quindi illustrata la teoria di base e le successive scelte tecniche, discutendo e giustificando il processo che ha portato alle conclusioni raggiunte.

Caratterizzazione sperimentale a fatica di provini in AlSi10Mg prodotti tramite Additive Manufacturing

L’Additive Manufacturing è una tecnologia che ormai da qualche anno sta diventando sempre piu’ utilizzata in numerosi ambiti, tra cui l’automotive. In questo settore sono molte le aziende che stanno sperimentando e cercando di inglobare tale processo al loro interno. Tra queste l’Università di Bologna, dove un team studentesco motociclistico si occupa della creazione di un prototipo di moto elettrica da competizione. Nell'intento di utilizzare tale tecnologia, sono numerose le informazioni necessarie per la corretta progettazione. Infatti, le caratteristiche dei materiali che vengono usati principalmente non sono ancora del tutto chiare e presentano alcuni aspetti poco investigati. Per questo motivo, in tale progetto si è deciso di caratterizzare a fatica provini realizzati in AlSi10Mg che presentassero una particolare geometria, per indagare anche l’influenza dello spessore. Sono quindi stati realizzati i campioni, anche con alcuni trattamenti di post-processo e sono poi stati osservati i risultati a fatica e alcune caratteristiche, tra cui: porosità, densità e struttura dei bagni di fusione. Tali valori riscontrati sono poi stati confrontati con quelli ottenuti in altri studi, cercando di comprendere differenze e motivazioni dei fenomeni osservati.

Studio di fattibilità e simulazione termodinamica di un prototipo di pompa di calore a R290 di potenza nominale pari a 35 kW

L’elaborato presenta nel dettaglio le fasi di progettazione di un prototipo di unità idronica reversibile condensata ad aria avente come fluido refrigerante l’R290 ed una capacità frigorifera nominale in freddo di circa 35 kW partendo dalla struttura di una macchina già realizzata La progettazione è stata eseguita servendosi di un foglio di calcolo realizzato ad-hoc, presentando i metodi di bilancio per una macchina operante sia in regime di riscaldamento che raffrescamento, nonché il calcolo degli indici di efficienza puntuali e stagionali in accordo alla normativa vigente. In parallelo sono state eseguite le medesime simulazioni al calcolatore mediante l’impiego di un software tecnico di configurazione, mostrato nel dettaglio, con lo scopo di appurare l’accuratezza del software e capire se i bilanci energetici fossero stati condotti correttamente. Pertanto, nell'elaborato sono esposte le modalità con cui tale software è strutturato e come esso interagisce con i vari componenti costituenti la macchina modellata e simulata.

Gestione della prototipazione del motoveicolo: dal progetto al prototipo finito

I progetti a cui ho preso parte sono stati commissionati all’azienda dal produttore cinese CF moto, di cui Modena40 rappresenta il reparto di ricerca e sviluppo europeo. I progetti di cui si parla sopra sono 3 ed ogni uno ha caratteristiche peculiari che andremo ad approfondire all’interno della tesi. Il primo progetto è un progetto di puro design che consiste nello sviluppo di uno scooter elettrico espositivo chiamato Magnet. Questo tipo di prototipo è un prototipo non marciante; nello sviluppo di quest’ultimo l’aspetto più tecnico viene leggermente trascurato in modo da poter concentrare a pieno gli sforzi nello sviluppo di qualcosa di innovativo e che sorprenda qualsiasi spettatore durante la fiera. Quando sono entrato in questo progetto lo sviluppo era già iniziato e si trovava nella fase cruciale in cui si iniziano a mandare in produzione i pezzi; quindi, il momento in cui ciò che si vede solo sullo schermo di un PC viene trasformato in qualcosa di reale. Da qui si sviluppa la gestione di tutta la catena che porterà all’arrivo dei pezzi in azienda, poi al montaggio e alla risoluzione di tutti i problemi che nascono quando si va incontro ad un progetto di questa portata. Il secondo progetto è una cosiddetta one-off che si basa sulla moto già esistente MT-800 sviluppata in passato da CF moto. L’obiettivo del progetto è prendere il veicolo e stravolgerne l’aspetto per renderla più accattivante, sportiva e aggressiva. In questo caso andremo a vedere come si sviluppa questo concept e come si rivoluziona la moto. Il terzo progetto consiste nello sviluppo di un prototipo marciante di una motocicletta supersportiva con motore V4, con lo scopo di svolgere test su pista per la definizione di geometrie, ergonomia ed aereodinamica della moto. La progettazione parte dallo studio del benchmark delle supersportive sul mercato per poi sviluppare il prototipo al CAD ed infine produrne le parti che andranno successivamente montate ottenendo il prototipo finito.

Analisi sperimentale delle prestazioni di una pompa di calore dual-source in configurazione geotermica al variare della lunghezza del campo sonde

Nell’ambito di questa Tesi è stata svolta un’analisi sperimentale delle prestazioni di una pompa di calore dual-source (DSHP). Essa è una pompa di calore a doppia sorgente in grado di scambiare potenza termica con due diversi serbatoi termici esterni: aria e terreno. Il campo sonde è composto da quattro sonde geotermiche a doppio tubo ad U, due da 60m e due da 100m, disposte in linea ed accoppiate ad una camera climatica per test su pompe di calore elettriche. Sono stati eseguiti test sul prototipo DSHP in configurazione geotermica stabilendo dei criteri per lo svolgimento delle prove, che in corso d’opera sono stati perfezionati. è stata eseguita la calibrazione dei sensori di temperatura, le termocoppie e le termoresistenze, che sono state collocate lungo il circuito idronico e in camera climatica, dove è installata la DSHP. Invece, per monitorare la temperatura del terreno viene impiegato un filo in fibra ottica inserito rispettivamente nella mandata e nel ritorno di uno dei tubi ad U delle sonde da 60m e da 100m. Si è stabilito di affidarci esclusivamente ai valori di offset che la centralina DTS, alla quale sono collegati i quattro filamenti in fibra ottica, applica di volta in volta sulle misurazioni di temperatura. È stata curata nel dettaglio una prova condotta mantenendo attive tutte le sonde del campo geotermico. Al fine di definire le prestazioni della pompa di calore, è stato eseguito il calcolo del Coefficient of Performance (COP) della macchina lungo lo svolgimento della prova, in modo da poter confrontare questo risultato con quelli ottenuti nelle differenti configurazioni analizzate in questa Tesi. I risultati contenuti in questa tesi hanno permesso di stabilire i tempi di scarica e recupero del terreno, l’entità dell’interferenza che si genera tra sonde adiacenti sottoposte ad un carico termico e di studiare il comportamento del terreno nei suoi strati più superficiali in funzione delle condizioni metereologiche esterne.

Sviluppo di un prototipo di serious game a supporto dell'attenzione visuospaziale

L’ambito videoludico è in forte espansione, andando a coinvolgere diversi settori ed ambiti. Infatti, i videogiochi possono avere scopi diversi e più articolati oltre al semplice intrattenimento e questo è proprio l'obiettivo dei Serious Game. Questi hanno come scopo quello di insegnare qualcosa tramite il gameplay stesso e vengono quindi utilizzati nel contesto educativo e dell'apprendimento. In questo contesto, il volume di tesi presenta il design e l'implementazione di un prototipo di serious game sviluppato per uno scopo ben definito: supporto e potenziamento dell’attenzione visuospaziale, facendo concentrare per l’appunto l’attenzione del giocatore sulle sue azioni, combinando facoltà visive, riflessi e anche memoria. Il gioco è pensato per essere adatto a tutti i giocatori, ma è stato sviluppato con un'attenzione particolare agli studenti che soffrono di Disturbi Specifici dell’Apprendimento (DSA). Il progetto è stato infatti sviluppato con Develop-Player, una Spin-off dell’Università di Bologna in cui psicologi, neuropsicologi e logopedisti hanno individuato nuovi metodi per potenziare i meccanismi più profondi dell’apprendimento e collaborano con informatici esperti nelle tecnologie più avanzate per l’implementazione di nuove esperienze interattive.