Modellazione multibody di veicoli ferroviari: sviluppo ed implementazione di modelli innovativi per l'analisi del contatto ruota - rotaia

The wheel - rail contact analysis plays a fundamental role in the multibody modeling of railway vehicles. A good contact model must provide an accurate description of the global contact phenomena (contact forces and torques, number and position of the contact points) and of the local contact phenomena (position and shape of the contact patch, stresses and displacements). The model has also to assure high numerical efficiency (in order to be implemented directly online within multibody models) and a good compatibility with commercial multibody software (Simpack Rail, Adams Rail). The wheel - rail contact problem has been discussed by several authors and many models can be found in the literature. The contact models can be subdivided into two different categories: the global models and the local (or differential) models. Currently, as regards the global models, the main approaches to the problem are the so - called rigid contact formulation and the semi – elastic contact description. The rigid approach considers the wheel and the rail as rigid bodies. The contact is imposed by means of constraint equations and the contact points are detected during the dynamic simulation by solving the nonlinear algebraic differential equations associated to the constrained multibody system. Indentation between the bodies is not permitted and the normal contact forces are calculated through the Lagrange multipliers. Finally the Hertz’s and the Kalker’s theories allow to evaluate the shape of the contact patch and the tangential forces respectively. Also the semi - elastic approach considers the wheel and the rail as rigid bodies. However in this case no kinematic constraints are imposed and the indentation between the bodies is permitted. The contact points are detected by means of approximated procedures (based on look - up tables and simplifying hypotheses on the problem geometry). The normal contact forces are calculated as a function of the indentation while, as in the rigid approach, the Hertz’s and the Kalker’s theories allow to evaluate the shape of the contact patch and the tangential forces. Both the described multibody approaches are computationally very efficient but their generality and accuracy turn out to be often insufficient because the physical hypotheses behind these theories are too restrictive and, in many circumstances, unverified. In order to obtain a complete description of the contact phenomena, local (or differential) contact models are needed. In other words wheel and rail have to be considered elastic bodies governed by the Navier’s equations and the contact has to be described by suitable analytical contact conditions. The contact between elastic bodies has been widely studied in literature both in the general case and in the rolling case. Many procedures based on variational inequalities, FEM techniques and convex optimization have been developed. This kind of approach assures high generality and accuracy but still needs very large computational costs and memory consumption. Due to the high computational load and memory consumption, referring to the current state of the art, the integration between multibody and differential modeling is almost absent in literature especially in the railway field. However this integration is very important because only the differential modeling allows an accurate analysis of the contact problem (in terms of contact forces and torques, position and shape of the contact patch, stresses and displacements) while the multibody modeling is the standard in the study of the railway dynamics. In this thesis some innovative wheel – rail contact models developed during the Ph. D. activity will be described. Concerning the global models, two new models belonging to the semi – elastic approach will be presented; the models satisfy the following specifics: 1) the models have to be 3D and to consider all the six relative degrees of freedom between wheel and rail 2) the models have to consider generic railway tracks and generic wheel and rail profiles 3) the models have to assure a general and accurate handling of the multiple contact without simplifying hypotheses on the problem geometry; in particular the models have to evaluate the number and the position of the contact points and, for each point, the contact forces and torques 4) the models have to be implementable directly online within the multibody models without look - up tables 5) the models have to assure computation times comparable with those of commercial multibody software (Simpack Rail, Adams Rail) and compatible with RT and HIL applications 6) the models have to be compatible with commercial multibody software (Simpack Rail, Adams Rail). The most innovative aspect of the new global contact models regards the detection of the contact points. In particular both the models aim to reduce the algebraic problem dimension by means of suitable analytical techniques. This kind of reduction allows to obtain an high numerical efficiency that makes possible the online implementation of the new procedure and the achievement of performance comparable with those of commercial multibody software. At the same time the analytical approach assures high accuracy and generality. Concerning the local (or differential) contact models, one new model satisfying the following specifics will be presented: 1) the model has to be 3D and to consider all the six relative degrees of freedom between wheel and rail 2) the model has to consider generic railway tracks and generic wheel and rail profiles 3) the model has to assure a general and accurate handling of the multiple contact without simplifying hypotheses on the problem geometry; in particular the model has to able to calculate both the global contact variables (contact forces and torques) and the local contact variables (position and shape of the contact patch, stresses and displacements) 4) the model has to be implementable directly online within the multibody models 5) the model has to assure high numerical efficiency and a reduced memory consumption in order to achieve a good integration between multibody and differential modeling (the base for the local contact models) 6) the model has to be compatible with commercial multibody software (Simpack Rail, Adams Rail). In this case the most innovative aspects of the new local contact model regard the contact modeling (by means of suitable analytical conditions) and the implementation of the numerical algorithms needed to solve the discrete problem arising from the discretization of the original continuum problem. Moreover, during the development of the local model, the achievement of a good compromise between accuracy and efficiency turned out to be very important to obtain a good integration between multibody and differential modeling. At this point the contact models has been inserted within a 3D multibody model of a railway vehicle to obtain a complete model of the wagon. The railway vehicle chosen as benchmark is the Manchester Wagon the physical and geometrical characteristics of which are easily available in the literature. The model of the whole railway vehicle (multibody model and contact model) has been implemented in the Matlab/Simulink environment. The multibody model has been implemented in SimMechanics, a Matlab toolbox specifically designed for multibody dynamics, while, as regards the contact models, the CS – functions have been used; this particular Matlab architecture allows to efficiently connect the Matlab/Simulink and the C/C++ environment. The 3D multibody model of the same vehicle (this time equipped with a standard contact model based on the semi - elastic approach) has been then implemented also in Simpack Rail, a commercial multibody software for railway vehicles widely tested and validated. Finally numerical simulations of the vehicle dynamics have been carried out on many different railway tracks with the aim of evaluating the performances of the whole model. The comparison between the results obtained by the Matlab/ Simulink model and those obtained by the Simpack Rail model has allowed an accurate and reliable validation of the new contact models. In conclusion to this brief introduction to my Ph. D. thesis, we would like to thank Trenitalia and the Regione Toscana for the support provided during all the Ph. D. activity. Moreover we would also like to thank the INTEC GmbH, the society the develops the software Simpack Rail, with which we are currently working together to develop innovative toolboxes specifically designed for the wheel rail contact analysis.

Studio spettroscopico della reazione fotochimica solido-solido del 9,10-dinitro-antracene ad antrachinone

Questa tesi riguarda lo studio della reazione fotoindotta del 9-10 dinitroantracene (DNO2A) ad antrachinone (AQ) con l’ausilio di una tecnica spettroscopica senza precedenti nel campo. Lo studio tramite spettroscopia Raman dei fononi reticolari (variazioni fisiche) e dei modi intramolecolari (variazioni chimiche) di reagente e prodotto, simultaneamente al manifestarsi della reazione, è infatti un metodo potente, diretto, in situ e non distruttivo per studiare una reazione solido-solido che coinvolge spettacolari movimenti micro-meccanici nel cristallo singolo del reagente durante l’irraggiamento. L’ulteriore vantaggio della confocalità amplia ulteriormente il campo di applicazione di questa tecnica, permettendo un’analisi su scala spaziale inferiore al micrometro, con la possibilità di mappature a livello molecolare da confrontare con l’immagine microscopica del campione[9]. Abbiamo inoltre visto che ampie ricostruzioni strutturali avvengono nel corso della reazione. Le conseguenze, a livello microscopico, si riflettono sulla modificazione strutturale della cella elementare; quelle a livello macroscopico mostrano una sorprendente relazione fotone incidente/energia meccanica prodotta. Infine lo studio di questa reazione in celle ad alta pressione ha ampliato il corpo di conoscenze della reazione oggetto della tesi.

Trattamenti ad aria calda per la decontaminazione superficiale delle uova in guscio

In order to improve the animal welfare, the Council Directive 1999/74/EC (defining minimum standards for the welfare of laying hens) will ban conventional cage systems since 2012, in favour of enriched cages or floor systems. As a consequence an increased risk of bacterial contamination of eggshell is expected (EFSA, 2005). Furthermore egg-associated salmonellosis is an important public health problem throughout the world (Roberts et al., 1994). In this regard the introduction of efficient measures to reduce eggshell contamination by S. Enteritidis or other bacterial pathogens, and thus to prevent any potential or additional food safety risk for Human health, may be envisaged. The hot air pasteurization can be a viable alternative for the decontamination of the surface of the egg shell. Few studies have been performed on the decontamination power of this technique on table eggs (Hou et al, 1996; James et al., 2002). The aim of this study was to develop innovative techniques to remove surface contamination of shell eggs by hot air under natural or forced convection. Initially two simplified finite element models describing the thermal interaction between the air and egg were developed, respectively for the natural and forced convection. The numerical models were validated using an egg simulant equipped by type-K thermocouple (Chromel/Alumel). Once validated, the models allowed the selection of a thermal cycle with an inner temperature always lower than 55°C. Subsequently a specific apparatus composed by two hot air generators, one cold air generator and rolling cylinder support, was built to physically condition the eggs. The decontamination power of the thermal treatments was evaluated on shell eggs experimentally inoculated with either Salmonella Enteritidis, Escherichia coli, Listeria monocytogenes and on shell eggs containing only the indigenous microflora. The applicability of treatments was further evaluated by comparing quality traits of treated and not treated eggs immediately after the treatment and after 28 days of storage at 20°C. The results showed that the treatment characterized by two shots of hot air at 350°C for 8 sec, spaced by a cooling interval of 32 (forced convection), reduce the bacterial population of more than 90% (Salmonella enteritidis and Listeria monocytogenes). No statistically significant results were obtained comparing E. coli treated and not treated eggs as well as indigenous microflora treated and not treated eggs. A reduction of 2.6 log was observed on Salmonella enteritidis load of eggs immediately after the treatment in oven at 200°C for 200 minutes (natural convection). Furthermore no detrimental effects on quality traits of treated eggs were recorded. These results support the hot air techniques for the surface decontamination of table eggs as an effective industrial process.

Bioengineering of exercise: biomechanical and metabolic aspects

The field of research of this dissertation concerns the bioengineering of exercise, in particular the relationship between biomechanical and metabolic knowledge. This relationship can allow to evaluate exercise in many different circumstances: optimizing athlete performance, understanding and helping compensation in prosthetic patients and prescribing exercise with high caloric consumption and minimal joint loading to obese subjects. Furthermore, it can have technical application in fitness and rehabilitation machine design, predicting energy consumption and joint loads for the subjects who will use the machine. The aim of this dissertation was to further understand how mechanical work and metabolic energy cost are related during movement using interpretative models. Musculoskeletal models, when including muscle energy expenditure description, can be useful to address this issue, allowing to evaluate human movement in terms of both mechanical and metabolic energy expenditure. A whole body muscle-skeletal model that could describe both biomechanical and metabolic aspects during movement was identified in literature and then was applied and validated using an EMG-driven approach. The advantage of using EMG driven approach was to avoid the use of arbitrary defined optimization functions to solve the indeterminate problem of muscle activations. A sensitivity analysis was conducted in order to know how much changes in model parameters could affect model outputs: the results showed that changing parameters in between physiological ranges did not influence model outputs largely. In order to evaluate its predicting capacity, the musculoskeletal model was applied to experimental data: first the model was applied in a simple exercise (unilateral leg press exercise) and then in a more complete exercise (elliptical exercise). In these studies, energy consumption predicted by the model resulted to be close to energy consumption estimated by indirect calorimetry for different intensity levels at low frequencies of movement. The use of muscle skeletal models for predicting energy consumption resulted to be promising and the use of EMG driven approach permitted to avoid the introduction of optimization functions. Even though many aspects of this approach have still to be investigated and these results are preliminary, the conclusions of this dissertation suggest that musculoskeletal modelling can be a useful tool for addressing issues about efficiency of movement in healthy and pathologic subjects.

Il Restauro di Palazzo Angelelli-Zambeccari ad Argelato

L'evoluzione delle tipologie architettoniche sviluppate all'interno del panorama bolognese ha portato allo sviluppo nel XVI secolo di Palazzi immersi nella campagna rispondenti ai canoni dei principi rinascimentali di armonia fra l'uomo e la Natura. E' in questo contesto che si sviluppa il Palazzo Angelelli-Zambeccari, il cui nucleo risale alla fine del XVI secolo e che si è costituito successivamente come importante tenuta agricola. La proprietà del Palazzo va attribuita in un primo momento alla Famiglia Senatoria Angelelli, che apporta le principali modifiche costruttive, quali le due ali simmetriche e una parte fondamentale del corpo centrale, successivamente alla Famiglia Zambeccari, che si occupa di sistemazioni interne e della struttura della tenuta. Attualmente la proprietà risulta essere del Comune, che cerca di svilupparla come centro propulsore del Paese. Il progetto di restauro vuole restituire all'edificio il suo carattere originale, inserendo all'interno di esso funzioni utili al Paese, come la biblioteca e i laboratori didattici, e attività legate al sostentamento stesso della proprietà, come un piccolo agriturismo e il centro di rappresentanza della Cantina Sociale del Paese. Proprio per la Cantina il progetto ha cercato di sviluppare un adeguato impianto di climatizzazione e di parametri legati alle condizioni ottimali per l'utilizzo, al fine di costruire uno spazio funzionale che possa essere testimonianza dell'attività agro-vinicola propria della tradizione della villa di campagna.

Studio, verifica ed ottimizzazione di una macchina automatica opercolatrice

“Perdita di fase tra il gruppo riempimento polvere/cronoidi con LVDT ed il gruppo piattello durante la fase di arresto a causa della mancanza imprevista di corrente elettrica”. La perdita della fase tra differenti gruppi può avvenire per due ragioni: 1) a causa della cedevolezza di alcuni elementi della catena cinematica 2) per problemi relativi al software che comanda gli assi elettronici e che è responsabile del movimento coordinato dei vari gruppi. La prima ipotesi è molto improbabile in macchine come l’ADAPTA, dove non sono presenti elementi cinematici con elevata cedevolezza (come ad esempio delle cinghie) essendo i movimenti guidati da camme scanalate (che, contrariamente, sono molto rigide) e/o da camme elettriche (motori Brushless). Il secondo caso invece avviene ogni volta che viene a mancare la corrente elettrica in maniera accidentale (ad esempio a causa di un black-out). La mancanza di energia elettrica impedisce al computer a bordo macchina di continuare a monitorare e controllare il funzionamento dei vari assi elettronici della macchina, che sono comandati da motori brushless, che quindi continuano per inerzia il loro moto fino a fermarsi. Siccome ogni gruppo ha un’inerzia e una velocità/accelerazione istantanea diversa e variabile in funzione della posizione assunta all’interno del proprio ciclo nel momento della mancanza di corrente elettrica, i tempi di arresto risultano differenti, e questo causa la perdita di fase. I gruppi riempimento polvere/cronoidi e spingitori fondelli presentano interferenza meccanica col gruppo piattello per una certa durata del suo ciclo; in questa fase gli elementi entrano nelle boccole porta fondelli delle slitte mobili del piattello. È l’unico caso in tutta la macchina in cui parti meccaniche di gruppi diversi, vanno a “intersecare” i propri spostamenti. La progettazione di macchine che presentano interferenze di questo genere è generalmente sconsigliabile poiché si potrebbe presentare il rischio di uno scontro nel caso avvenga una perdita di fase tra i gruppi. Si sono cercate diverse soluzioni mirate a evitare un urto, derivato dall’interferenza meccanica, in caso di black-out oppure di ridurre il più possibile i danni che questa casualità può portare alla macchina. Il gruppo piattello è definito master rispetto a tutti gli altri gruppi; ha un’inerzia molto piccola e questo fa si che, in caso di black-out, il suo arresto avvenga praticamente istantaneamente, al contrario di ciò che avviene per tutti gli altri gruppi slave dotati di inerzia maggiore. Siccome l’arresto del piattello è istantaneo, il pericolo per tastatori e punzoni sollevatori di urto può avvenire solamente per compenetrazione: se gli elementi sono già all’interno della boccola, e restando fermo il piattello, l’inerzia del gruppo che fa proseguire il moto per alcuni istanti non farebbe altro che portarli fuori dalla boccola, non provocando alcun danno. Non vi è perciò il pericolo di “taglio” di questi elementi da parte del piattello. Perciò l’unica possibilità è che il black-out avvenga in un istante del ciclo dove gli elementi si stanno muovendo per entrare nelle boccole mentre anche il piattello è in rotazione.

Design of a beam stopper for the new CERN linear accelerator Linac4

In this paper I will present the work I have completed during a five months work placement at CERN, European Organisation for Nuclear Research, from March to July 2011. This stage was done in the EN Department (ENgineering Department), STI Group (Sources, Targets and Interactions), TCD Section (Targets, Collimators and Dumps) under the supervision of Dr Cesare Maglioni. The task I was given concerned all the beam stoppers in the PS Complex, in detail: - General definition and requirements - Creation of a digital archive - Verification of the stoppers of the PS Complex - Design of the L4T.STP.1

Politiche e strategie manutentive in una raffineria: il caso Saras S.p.A.

La seguente tesi di Laurea è stata scritta durante uno stage della durata di sei mesi (dal 15 Giugno al 1 Dicembre 2011) presso la raffineria del gruppo Saras S.p.A. situata nel golfo di Cagliari. L’elaborato si prefigge di rappresentare un’ulteriore testimonianza dell’accresciuto interesse e della maggiore sensibilità e attenzione sviluppatesi negli ultimi anni nei confronti della Manutenzione dei sistemi di produzione. Lo scopo principale dello stage è stato quello di riuscire a scattare una dettagliata fotografia dei tempi e dei metodi dell’intero processo manutentivo riguardante le macchine rotanti di una delle più grandi e complesse raffinerie del Mediterraneo. Il lettore potrà rintracciare nel testo un’accurata analisi della politica manutentiva Saras seguita da alcune riflessioni e proposte di miglioramento organizzativo che abbiano un positivo impatto sull’ottimizzazione dell’intero sistema Manutenzione. L’esperienza in raffineria ha avuto come principale punto d’interesse la funzione manutentiva dell’azienda ed in particolare la sua sfera operativa. Tuttavia si è cercato di fornire una veduta d’insieme del sistema aziendale rintracciando fondamentali tematiche da sempre oggetto di studi di un corso di laurea in Ingegneria Gestionale, con l’obiettivo di suscitare nel lettore il maggior interesse possibile. Nella dissertazione si parlerà di processi di Manutenzione senza prescindere dall’analisi della sicurezza sul lavoro, delle politiche di approvvigionamento di beni e servizi, della gestione del magazzino ricambi e, ultima ma forse più importante, della gestione delle risorse umane. Si ringrazia la Saras, in particolare nella persona di Renato Virdis, responsabile dell’Unità Operativa Meccanica, per l’opportunità concessa e la collaborazione mostrata durante tutto il periodo, sperando di aver lasciato in azienda un utile documento che offra uno spunto di riflessione per tutti gli attori coinvolti.

Valutazione dell'investimento di un impianto fotovoltaico

Le energie rinnovabili offrono tempi brevi di disponibilità e producono un inquinamento ambientale trascurabile. L’energia fotovoltaica, nonostante i suoi costi siano in rapida diminuzione, stenta ad affermarsi a causa degli elevati costi iniziali d’investimento. Oggigiorno il film sottile rappresenta una delle tecnologie più promettenti nel mercato del fotovoltaico, offrendo numerosi vantaggi e potendo colmare i limiti dei moduli cristallini, tra cui la bassa efficienza in caso non si abbia un’esposizione ottimale. L'elaborato parte dall'intenzione de La Nuova Bassani srl, azienda presso cui ho effettuato il tirocinio, di sostituire le coperture, in amianto cemento e fibrocemento, dei suoi due magazzini con tecnologie innovative. L’argomento è stato trattato in due sezioni: introduzione al fotovoltaico, dimensionamento dell’impianto e valutazione economica dell’investimento.