Inspection of parts with complex geometry and welds with structural health monitoring techniques

Structural Health Monitoring (SHM) systems were developed to evaluate the integrity of a system during operation, and to quickly identify the maintenance problems. They will be used in future aerospace vehicles to improve safety, reduce cost and minimize the maintenance time of a system. Many SHM systems were already developed to evaluate the integrity of plates and used in marine structures. Their implementation in manufacturing processes is still expected. The application of SHM methods for complex geometries and welds are two important challenges in this area of research. This research work started by studying the characteristics of piezoelectric actuators, and a small energy harvester was designed. The output voltages at different frequencies of vibration were acquired to determine the nonlinear characteristics of the piezoelectric stripe actuators. The frequency response was evaluated experimentally. AA battery size energy harvesting devices were developed by using these actuators. When the round and square cross section devices were excited at 50 Hz frequency, they generated 16 V and 25 V respectively. The Surface Response to Excitation (SuRE) and Lamb wave methods were used to estimate the condition of parts with complex geometries. Cutting tools and welded plates were considered. Both approaches used piezoelectric elements that were attached to the surfaces of considered parts. The variation of the magnitude of the frequency response was evaluated when the SuRE method was used. The sum of the square of the differences was calculated. The envelope of the received signal was used for the analysis of wave propagation. Bi-orthogonal wavelet (Binlet) analysis was also used for the evaluation of the data obtained during Lamb wave technique. Both the Lamb wave and SuRE approaches along with the three methods for data analysis worked effectively to detect increasing tool wear. Similarly, they detected defects on the plate, on the weld, and on a separate plate without any sensor as long as it was welded to the test plate.

Controllo ultra-low power di un modulatore back-scattering per applicazioni di localizzazione in sistemi RFID

In questa tesi viene elaborata un'applicazione ultra-low power (ULP) basata su microcontrollore, per implementare la procedura di controllo di diversi circuiti di un tag RFID. Il tag preso in considerazione è pensato per lavorare in assenza di batteria, da cui la necessita' di ridurre i consumi di potenza. La sua attivazione deve essere inoltre comandata attraverso un'architettura Wake up Radio (WuR), in cui un segnale di controllo radio indirizza e attiva il circuito. Nello specifico, la rete di decodifica dell'indirizzo è stata realizzata mediante il modulo di comunicazione seriale del microcontrollore. Nel Capitolo 1 verrà introdotto il tema dell'Energy Harvesting. Nel Capitolo 2 verrà illustrata l'architettura del sistema nel suo complesso. Nel Capitolo 3 verrà spiegato dettagliatamente il funzionamento del microcontrollore scelto. Il Capitolo 4 sarà dedicato al firmware implementato per svolgere le operazioni fondamentali imputate al micro per i compiti di controllo. Verrà inoltre introdotto il codice VHDL sviluppato per emulare l'output del modulo WuR mediante un FPGA della famiglia Cyclone II. Nel Capitolo 5 verrà presentata una stima dei consumi del microcontrollore in funzione dei parametri di configurazione del sistema. Verrà inoltre effettuato un confronto con un altro microcontrollore che in alcune condizioni potrebbe rappresentare iun'alternativa valida di progetto. Nei Capitoli 6 e 7 saranno descritti possibili sviluppi futuri e conclusioni del progetto. Le specifiche di progetto rilevanti della tesi sono: 1. minimo consumo energetico possibile del microcontrollore ULP 2. elevata rapidità di risposta per la ricezione dei tag, per garantire la ricezione di un numero maggiore possibile di indirizzi (almeno 20 letture al secondo), in un range di tempo limitato 3. generazione di un segnale PWM a 100KHz di frequenza di commutazione con duty cycle 50% su cui basare una modulazione in back-scattering.

Dispositivi di recupero energetico: la valvola di regolazione GreenValve del Politecnico di Milano

Oggetto della trattazione è il recupero di energia da parte di una valvola idraulica durante il processo di regolazione del flusso di corrente in un impianto. Questa valvola di regolazione, detta GreenValve, è un brevetto del Politecnico di Milano, ad opera del Prof. Ing. Stefano Malavasi coadiuvato da un gruppo di ricercatori e tesisti, tra i quali spicca il nome di Cecilia Paris. Cecilia ha incentrato il proprio lavoro sull’analisi teorica e sperimentale della “Valvola Verde”, ed è dalla sua Tesi che il suddetto elaborato trae ispirazione.

Towards the design of monolithic decoupled XYZ compliant parallel mechanisms for multi-function applications

This paper deals with the monolithic decoupled XYZ compliant parallel mechanisms (CPMs) for multi-function applications, which can be fabricated monolithically without assembly and has the capability of kinetostatic decoupling. At first, the conceptual design of monolithic decoupled XYZ CPMs is presented using identical spatial compliant multi-beam modules based on a decoupled 3-PPPR parallel kinematic mechanism. Three types of applications: motion/positioning stages, force/acceleration sensors and energy harvesting devices are described in principle. The kinetostatic and dynamic modelling is then conducted to capture the displacements of any stage under loads acting at any stage and the natural frequency with the comparisons with FEA results. Finally, performance characteristics analysis for motion stage applications is detailed investigated to show how the change of the geometrical parameter can affect the performance characteristics, which provides initial optimal estimations. Results show that the smaller thickness of beams and larger dimension of cubic stages can improve the performance characteristics excluding natural frequency under allowable conditions. In order to improve the natural frequency characteristic, a stiffness-enhanced monolithic decoupled configuration that is achieved through employing more beams in the spatial modules or reducing the mass of each cubic stage mass can be adopted. In addition, an isotropic variation with different motion range along each axis and same payload in each leg is proposed. The redundant design for monolithic fabrication is introduced in this paper, which can overcome the drawback of monolithic fabrication that the failed compliant beam is difficult to replace, and extend the CPM’s life.

Dynamics of the Disk-Pendulum Coupled System With Vertical Excitation

This paper investigates the static and dynamic characteristics of the semi-elliptical rocking disk on which a pendulum pinned. This coupled system’s response is also analyzed analytically and numerically when a vertical harmonic excitation is applied to the bottom of the rocking disk. Lagrange’s Equation is used to derive the motion equations of the disk-pendulum coupled system. The second derivative test for the system’s potential energy shows how the location of the pendulum’s pivotal point affects the number and stability of equilibria, and the change of location presents different bifurcation diagrams for different geometries of the rocking disk. For both vertically excited and unforced cases, the coupled system shows chaos easily, but the proper chosen parameters can still help the system reach and keep the steady state. For the steady state of the vertically excited rocking disk without a pendulum, the variation of the excitation’s amplitude and frequency result in the hysteresis for the amplitude of the response. When a pendulum is pinned on the rocking disk, three major categories of steady states are presently in the numerical way.

A New Method for Modeling Free Surface Flows and Fluid-structure Interaction with Ocean Applications

The computational modeling of ocean waves and ocean-faring devices poses numerous challenges. Among these are the need to stably and accurately represent both the fluid-fluid interface between water and air as well as the fluid-structure interfaces arising between solid devices and one or more fluids. As techniques are developed to stably and accurately balance the interactions between fluid and structural solvers at these boundaries, a similarly pressing challenge is the development of algorithms that are massively scalable and capable of performing large-scale three-dimensional simulations on reasonable time scales. This dissertation introduces two separate methods for approaching this problem, with the first focusing on the development of sophisticated fluid-fluid interface representations and the second focusing primarily on scalability and extensibility to higher-order methods.

We begin by introducing the narrow-band gradient-augmented level set method (GALSM) for incompressible multiphase Navier-Stokes flow. This is the first use of the high-order GALSM for a fluid flow application, and its reliability and accuracy in modeling ocean environments is tested extensively. The method demonstrates numerous advantages over the traditional level set method, among these a heightened conservation of fluid volume and the representation of subgrid structures.

Next, we present a finite-volume algorithm for solving the incompressible Euler equations in two and three dimensions in the presence of a flow-driven free surface and a dynamic rigid body. In this development, the chief concerns are efficiency, scalability, and extensibility (to higher-order and truly conservative methods). These priorities informed a number of important choices: The air phase is substituted by a pressure boundary condition in order to greatly reduce the size of the computational domain, a cut-cell finite-volume approach is chosen in order to minimize fluid volume loss and open the door to higher-order methods, and adaptive mesh refinement (AMR) is employed to focus computational effort and make large-scale 3D simulations possible. This algorithm is shown to produce robust and accurate results that are well-suited for the study of ocean waves and the development of wave energy conversion (WEC) devices.

Supercapattery based on binder-free Co3 (PO4)2·8H2O multilayer nano/microflakes on nickel foam

A binder-free cobalt phosphate hydrate (Co3(PO4)2·8H2O) multilayer nano/microflake structure is synthesized on nickel foam (NF) via a facile hydrothermal process. Four different concentrations (2.5, 5, 10, and 20 mM) of Co2+ and PO4–3 were used to obtain different mass loading of cobalt phosphate on the nickel foam. The Co3(PO4)2·8H2O modified NF electrode (2.5 mM) shows a maximum specific capacity of 868.3 C g–1 (capacitance of 1578.7 F g–1) at a current density of 5 mA cm–2 and remains as high as 566.3 C g–1 (1029.5 F g–1) at 50 mA cm–2 in 1 M NaOH. A supercapattery assembled using Co3(PO4)2·8H2O/NF as the positive electrode and activated carbon/NF as the negative electrode delivers a gravimetric capacitance of 111.2 F g–1 (volumetric capacitance of 4.44 F cm–3). Furthermore, the device offers a high specific energy of 29.29 Wh kg–1 (energy density of 1.17 mWh cm–3) and a specific power of 4687 W kg–1 (power density of 187.5 mW cm–3).

Secure 5G Wireless Communications: A Joint Relay Selection and Wireless Power Transfer Approach

In this paper, we investigate the secrecy performance of an energy harvesting relay system, where a legitimate source communicates with a legitimate destination via the assistance of multiple trusted relays. In the considered system, the source and relays deploy the time-switching-based radio frequency energy harvesting technique to harvest energy from a multi-antenna beacon. Different antenna selection and relay selection schemes are applied to enhance the security of the system. Specifically, two relay selection schemes based on the partial and full knowledge of channel state information, i.e., optimal relay selection and partial relay selection, and two antenna selection schemes for harvesting energy at source and relays, i.e., maximizing energy harvesting channel for the source and maximizing energy harvesting channel for the selected relay, are proposed. The exact and asymptotic expressions of secrecy outage probability in these schemes are derived. We demonstrate that applying relay selection approaches in the considered energy harvesting system can enhance the security performance. In particular, optimal relay selection scheme outperforms partial relay selection scheme and achieves full secrecy diversity order, regardless of energy harvesting scenarios.

Síntesis, caracterización y estudio de compuestos de coordinación con el ligando N,N¿dimetil-N-N-bis(2-hidroxi-3-metoxi-5-metilbencil) etilendiamina (H2L)

257 p.

Spatial and temporal downscaling of solar global radiation and mean air temperature from weather forecast data - an introductory numerical study and validation

This short paper presents a numerical method for spatial and temporal downscaling of solar global radiation and mean air temperature data from global weather forecast models and its validation. The final objective is to develop a prediction algorithm to be integrated in energy management models and forecast of energy harvesting in solar thermal systems of medium/low temperature. Initially, hourly prediction and measurement data of solar global radiation and mean air temperature were obtained, being then numerically downscaled to half-hourly prediction values for the location where measurements were taken. The differences between predictions and measurements were analyzed for more than one year of data of mean air temperature and solar global radiation on clear sky days, resulting in relative daily deviations of around -0.9±3.8% and 0.02±3.92%, respectively.

Modellazione numerica del comportamento di una struttura in muratura

In questi ultimi anni il tema della sicurezza sismica degli edifici storici in muratura ha assunto particolare rilievo in quanto a partire soprattutto dall’ordinanza 3274 del 2003, emanata in seguito al sisma che colpì il Molise nel 2002, la normativa ha imposto un monitoraggio ed una classificazione degli edifici storici sotto tutela per quanto riguarda la vulnerabilità sismica (nel 2008, quest’anno, scade il termine per attuare quest’opera di classificazione). Si è posto per questo in modo più urgente il problema dello studio del comportamento degli edifici storici (non solo quelli che costituiscono monumento, ma anche e soprattutto quelli minori) e della loro sicurezza. Le Linee Guida di applicazione dell’Ordinanza 3274 nascono con l’intento di fornire strumenti e metodologie semplici ed efficaci per affrontare questo studio nei tempi previsti. Il problema si pone in modo particolare per le chiese, presenti in grande quantità sul territorio italiano e di cui costituiscono gran parte del patrimonio culturale; questi edifici, composti di solito da grandi elementi murari, non presentano comportamento scatolare, mancando orizzontamenti, elementi di collegamento efficace e muri di spina interni e sono particolarmente vulnerabili ad azioni sismiche; presentano inoltre un comportamento strutturale a sollecitazioni orizzontali che non può essere colto con un approccio globale basato, ad esempio, su un’analisi modale lineare: non ci sono modi di vibrare che coinvolgano una sufficiente parte di massa della struttura; si hanno valori dei coefficienti di partecipazione dei varii modi di vibrare minori del 10% (in generale molto più bassi). Per questo motivo l’esperienza e l’osservazione di casi reali suggeriscono un approccio di studio degli edifici storici sacri in muratura attraverso l’analisi della sicurezza sismica dei cosiddetti “macroelementi” in cui si può suddividere un edificio murario, i quali sono elementi che presentano un comportamento strutturale autonomo. Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio iniziato con una tesi di laurea dal titolo “Analisi Limite di Strutture in Muratura. Teoria e Applicazione all'Arco Trionfale” (M. Temprati), che ha studiato il comportamento dell’arco trionfale della chiesa collegiata di Santa Maria del Borgo a San Nicandro Garganico (FG). Suddividere un edificio in muratura in più elementi è il metodo proposto nelle Linee Guida, di cui si parla nel primo capitolo del presente lavoro: la vulnerabilità delle strutture può essere studiata tramite il moltiplicatore di collasso quale parametro in grado di esprimere il livello di sicurezza sismica. Nel secondo capitolo si illustra il calcolo degli indici di vulnerabilità e delle accelerazioni di danno per la chiesa di Santa Maria del Borgo, attraverso la compilazione delle schede dette “di II livello”, secondo quanto indicato nelle Linee Guida. Nel terzo capitolo viene riportato il calcolo del moltiplicatore di collasso a ribaltamento della facciata della chiesa. Su questo elemento si è incentrata l’attenzione nel presente lavoro. A causa della complessità dello schema strutturale della facciata connessa ad altri elementi dell’edificio, si è fatto uso del codice di calcolo agli elementi finiti ABAQUS. Della modellazione del materiale e del settaggio dei parametri del software si è discusso nel quarto capitolo. Nel quinto capitolo si illustra l’analisi condotta tramite ABAQUS sullo stesso schema della facciata utilizzato per il calcolo manuale nel capitolo tre: l’utilizzo combinato dell’analisi cinematica e del metodo agli elementi finiti permette per esempi semplici di convalidare i risultati ottenibili con un’analisi non-lineare agli elementi finiti e di estenderne la validità a schemi più completi e più complessi. Nel sesto capitolo infatti si riportano i risultati delle analisi condotte con ABAQUS su schemi strutturali in cui si considerano anche gli elementi connessi alla facciata. Si riesce in questo modo ad individuare con chiarezza il meccanismo di collasso di più facile attivazione per la facciata e a trarre importanti informazioni sul comportamento strutturale delle varie parti, anche in vista di un intervento di ristrutturazione e miglioramento sismico.

Application of numerical methods to earthquake stability assessment of slopes

Questo documento descrive gran parte del lavoro svolto durante un periodo di studio di sei mesi all’International Centre for Geohazards (ICG) di Oslo. Seguendo la linea guida dettata nel titolo, sono stati affrontati diversi aspetti riguardanti la modellazione numerica dei pendii quali l’influenza delle condizioni al contorno e delle proporzioni del modello, la back-analysis di eventi di scivolamento e l’applicazione delle analisi di stabilità monodimensionali. La realizzazione di semplici modelli con il programma agli elementi finiti PLAXIS (Brinkgreve et al., 2008) ha consentito di analizzare le prestazioni dei modelli numerici riguardo all’influenza delle condizioni al contorno confrontandoli con un calcolo teorico del fattore di amplificazione. Questa serie di test ha consentito di stabilire alcune linee guida per la realizzazione di test con un buon livello di affidabilità. Alcuni case-history, in particolare quello di Las Colinas (El Salvador), sono stati modellati allo scopo di applicare e verificare i risultati ottenuti con i semplici modelli sopracitati. Inoltre sono state svolte analisi di sensitività alla dimensione della mesh e ai parametri di smorzamento e di elasticità. I risultati hanno evidenziato una forte dipendenza dei risultati dai parametri di smorzamento, rilevando l’importanza di una corretta valutazione di questa grandezza. In ultima battuta ci si è occupati dell’accuratezza e dell’applicabilità dei modelli monodimensionali. I risultati di alcuni modelli monodimensionali realizzati con il software Quiver (Kaynia, 2009) sono stati confrontati con quelli ottenuti da modelli bidimensionali. Dal confronto è risultato un buon grado di approssimazione accompagnato da un margine di sicurezza costante. Le analisi monodimensionali sono poi state utilizzate per la verifica di sensitività. I risultati di questo lavoro sono qui presentati e accompagnati da suggerimenti qualitativi e quantitativi per la realizzazione di modelli bidimensionali affidabili. Inoltre si descrive la possibilità di utilizzare modelli monodimensionali in caso d’incertezze sui parametri. Dai risultati osservati emerge la possibilità di ottenere un risparmio di tempo nella realizzazione di importanti indagini di sensitività.

La conclusione del contratto informatico nella contrattazione internazionale

Nel corso del presente studio si è cercato di capire quale potesse essere la normativa applicabile ai vari tipi di contratto elettronici analizzati, sia dal punto di vista del diverso modello contrattuale e sia dal punto di vista del soggetto, come parte del contratto. Infatti, proprio la peculiare logica delle norme poste a tutela del consumatore giustifica un separato approfondimento degli aspetti riguardanti i contratti conclusi tra operatori professionali, contratti business to business e quelli di cui sia parte un consumatore, contratti business to consumer. Sulla base di questi aspetti soggettivi e contrattuali, è stata analizzate la normativa comunitaria di riferimento, dal regolamento n. 44 del 2001 alla direttiva comunitaria 2000/31/CE. Si sono affrontati anche gli aspetti relativi alle norme di derivazione Uncitral, dalla Model Law del 1996 alla Convenzione del 2005 sulle comunicazioni elettroniche nella contrattazione internazionale, le norme di soft law, dalla Nuova lex mercatoria ai Principi Unidroit alle Linee Guida OCSE e la loro interazione con il commercio elettronico. In seguito, si è analizzata la convenzione di Roma sulle obbligazioni contrattuali e il regolamento Roma I, le loro differenze e la loro diretta applicabilità, se esiste, con il commercio elettronico. In particolare, il Regolamento Roma I ha, nella maggior parte delle sue disposizioni, riproposto quanto contenuto nella convenzione di Roma, però in chiave moderna, apportando delle innovazioni nel commercio elettronico internazionale.

Polimeri biocompatibili come substrati per colture cellulari

Questo lavoro costituisce un'interfaccia tra la fisica dei materiali e la biologia; sfruttando le particolari proprietà del polimero conduttore poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato) (PSS), o PEDOT:PSS, sono stati sviluppati e realizzati substrati per colture cellulari. Tale composto è infatti un polimero organico biocompatibile, caratterizzato da proprietà fisiche che ben si prestano ad applicazioni in campo biologico. Vengono inizialmente descritte le caratteristiche generali e gli schemi di classificazione dei polimeri, per analizzare quindi in dettaglio i polimeri conduttori e la loro modalità di drogaggio. Si presenta quindi il PEDOT:PSS, del quale vengono descritte le proprietà, in particolare ci si sofferma sulle quelle termiche, meccaniche ed elettriche. Il primo capitolo si conclude con la presentazione delle applicazioni bioelettroniche del PEDOT:PSS, illustrando le principali applicazioni nella ricerca biologica e descrivendo le caratteristiche che ne hanno fatto uno dei composti più utilizzati per questo tipo di applicazioni. Nel secondo capitolo, per la parte sperimentale, sono stati descritti approfonditamente gli strumenti e i materiali utilizzati; in particolare vengono spiegati dettagliatamente il procedimento di spin-coating per la produzione di film sottili e le tecniche AFM (Atomic Force Microscopy) per l'analisi della morfologia superficiale. Nel terzo capitolo vengono esposte le tecniche sperimentali impiegate: è stata sviluppata una procedura di produzione ripetibile, grazie alla quale sono stati realizzati dei campioni, per i quali poi è stata misurata la rugosità. I risultati conseguiti sono stati infine correlati con l'analisi della proliferazione cellulare, illustrata chiaramente dalle immagini ottenute al microscopio ottico, che rivelano l'adesione e la moltiplicazione cellulare sui substrati di PEDOT:PSS.

A generalized assembler.

Issued also as thesis (M.S.) University of Illinois.