Non linear application of an in-house finite elements software

Questa tesi si pone come obiettivo l'analisi delle componenti di sollecitazione statica di un serbatoio, in acciaio API 5L X52, sottoposto a carichi di flessione e pressione interna attraverso il programma agli elementi finiti PLCd4, sviluppato presso l'International Center for Numerical Methods in Engineering (CIMNE - Barcelona). Questo tipo di analisi rientra nel progetto europeo ULCF, il cui traguardo è lo studio della fatica a bassissimo numero di cicli per strutture in acciaio. Prima di osservare la struttura completa del serbatoio è stato studiato il comportamento del materiale per implementare all'interno del programma una nuova tipologia di curva che rappresentasse al meglio l'andamento delle tensioni interne. Attraverso il lavoro di preparazione alla tesi è stato inserito all'interno del programma un algoritmo per la distribuzione delle pressioni superficiali sui corpi 3D, successivamente utilizzato per l'analisi della pressione interna nel serbatoio. Sono state effettuate analisi FEM del serbatoio in diverse configurazioni di carico ove si è cercato di modellare al meglio la struttura portante relativa al caso reale di "full scale test". Dal punto di vista analitico i risultati ottenuti sono soddisfacenti in quanto rispecchiano un corretto comportamento del serbatoio in condizioni di pressioni molto elevate e confermano la bontà del programma nell'analisi computazionale.

Hot wire manufacturing and resolution effects in high Reynolds number flows

Lo studio della turbolenza è di fondamentale importanza non solo per la fluidodinamica teorica ma anche perchè viene riscontrata in una moltitudine di problemi di interesse ingegneristico. All'aumentare del numero di Reynolds, le scale caratteristiche tendono a ridurre le loro dimensioni assolute. Nella fluidodinamica sperimentale già da lungo tempo si è affermata l'anemometria a filo caldo, grazie ad ottime caratteristiche di risoluzione spaziale e temporale. Questa tecnica, caratterizzata da un basso costo e da una relativa semplicità, rende possibile la realizzazione di sensori di tipo artigianale, che hanno il vantaggio di poter essere relizzati in dimensioni inferiori. Nonostante l'ottima risoluzione spaziale degli hot-wire, infatti, si può verificare, ad alto numero di Reynolds, che le dimensioni dell'elemento sensibile siano superiori a quelle delle piccole scale. Questo impedisce al sensore di risolvere correttamente le strutture più piccole. Per questa tesi di laurea è stato allestito un laboratorio per la costruzione di sensori a filo caldo con filo di platino. Sono in questo modo stati realizzati diversi sensori dalle dimensioni caratteristiche inferiori a quelle dei sensori disponibili commercialmente. I sensori ottenuti sono quindi stati testati in un getto turbolento, dapprima confrontandone la risposta con un sensore di tipo commerciale, per verificarne il corretto funzionamento. In seguito si sono eseguite misure più specifiche e limitate ad alcune particolari zone all'interno del campo di moto, dove è probabile riscontrare effetti di risoluzione spaziale. Sono stati analizzati gli effetti della dimensione fisica del sensore sui momenti statistici centrali, sugli spettri di velocità e sulle funzioni di densità di probabilità.

Effetti idrodinamici prodotti dal costume tecnico sul nuotatore

L’introduzione dei costumi tecnici nel nuoto ha portato miglioramenti senza precedenti sulla prestazione. I miglioramenti nella velocità di nuoto sono stati attribuiti dalla letteratura a riduzioni nelle resistenze idrodinamiche sul nuotatore. Tuttavia, gli effetti specifici dovuti all’utilizzo di questo tipo di costume non sono ancora completamente chiariti. Questa tesi aveva l’obiettivo di indagare gli effetti del costume tecnico sul galleggiamento statico, sulla posizione del corpo e sulla resistenza idrodinamica in avanzamento passivo. Nello studio preliminare sono stati misurati la spinta idrostatica, i volumi polmonari dinamici e la circonferenza toracica di 9 nuotatori che indossavano un costume tradizionale o un costume tecnico in gomma sintetica. Indossare il costume tecnico ha determinato una riduzione significativa del galleggiamento statico, e la compressione toracica causata da questo tipo di costume potrebbe avere una relazione con la significativa riduzione dei volumi polmonari misurati quando il nuotatore indossa questo tipo di costume. Un successiva analisi prevedeva il traino passivo di 14 nuotatori che mantenevano la miglior posizione idrodinamica di scivolamento indossando un costume tradizionale, tecnico in tessuto e tecnico in gomma. La posizione del corpo in avanzamento è stata misurata con un’analisi cinematica. La resistenza passiva indossando i costumi tecnici è risultata significativamente minore per entrambi i costumi tecnici rispetto alla prova con costume tradizionale. L’analisi condotta attraverso modelli di regressione lineari ha mostrato che una parte della riduzione della resistenza passiva era legata a proprietà intrinseche dei costumi tecnici. Tuttavia, anche l’area di impatto frontale determinata dall’inclinazione del tronco del soggetto in scivolamento e l’inclinazione degli arti inferiori hanno mostrato una marcata influenza sulla resistenza idrodinamica passiva. Pertanto, la riduzione di resistenza idrodinamica durante lo scivolamento passivo effettuato con costume tecnico da nuoto è attribuibile, oltre all’effetto del materiale di composizione del costume, ad una variazione della posizione del corpo del nuotatore.

Investigation on laser shock peening capability by FE simulation

Laser shock peening is a technique similar to shot peening that imparts compressive residual stresses in materials for improving fatigue resistance. The ability to use a high energy laser pulse to generate shock waves, inducing a compressive residual stress field in metallic materials, has applications in multiple fields such as turbo-machinery, airframe structures, and medical appliances. The transient nature of the LSP phenomenon and the high rate of the laser's dynamic make real time in-situ measurement of laser/material interaction very challenging. For this reason and for the high cost of the experimental tests, reliable analytical methods for predicting detailed effects of LSP are needed to understand the potential of the process. Aim of this work has been the prediction of residual stress field after Laser Peening process by means of Finite Element Modeling. The work has been carried out in the Stress Methods department of Airbus Operations GmbH (Hamburg) and it includes investigation on compressive residual stresses induced by Laser Shock Peening, study on mesh sensitivity, optimization and tuning of the model by using physical and numerical parameters, validation of the model by comparing it with experimental results. The model has been realized with Abaqus/Explicit commercial software starting from considerations done on previous works. FE analyses are “Mesh Sensitive”: by increasing the number of elements and by decreasing their size, the software is able to probe even the details of the real phenomenon. However, these details, could be only an amplification of real phenomenon. For this reason it was necessary to optimize the mesh elements' size and number. A new model has been created with a more fine mesh in the trough thickness direction because it is the most involved in the process deformations. This increment of the global number of elements has been paid with an "in plane" size reduction of the elements far from the peened area in order to avoid too high computational costs. Efficiency and stability of the analyses has been improved by using bulk viscosity coefficients, a merely numerical parameter available in Abaqus/Explicit. A plastic rate sensitivity study has been also carried out and a new set of Johnson Cook's model coefficient has been chosen. These investigations led to a more controllable and reliable model, valid even for more complex geometries. Moreover the study about the material properties highlighted a gap of the model about the simulation of the surface conditions. Modeling of the ablative layer employed during the real process has been used to fill this gap. In the real process ablative layer is a super thin sheet of pure aluminum stuck on the masterpiece. In the simulation it has been simply reproduced as a 100µm layer made by a material with a yield point of 10MPa. All those new settings has been applied to a set of analyses made with different geometry models to verify the robustness of the model. The calibration of the model with the experimental results was based on stress and displacement measurements carried out on the surface and in depth as well. The good correlation between the simulation and experimental tests results proved this model to be reliable.

Influence of microstructure variability on short crack growth behavior

Fatigue life in metals is predicted utilizing regression analysis of large sets of experimental data, thus representing the material’s macroscopic response. Furthermore, a high variability in the short crack growth (SCG) rate has been observed in polycrystalline materials, in which the evolution and distributionof local plasticity is strongly influenced by the microstructure features. The present work serves to (a) identify the relationship between the crack driving force based on the local microstructure in the proximity of the crack-tip and (b) defines the correlation between scatter observed in the SCG rates to variability in the microstructure. A crystal plasticity model based on the fast Fourier transform formulation of the elasto-viscoplastic problem (CP-EVP-FFT) is used, since the ability to account for the both elastic and plastic regime is critical in fatigue. Fatigue is governed by slip irreversibility, resulting in crack growth, which starts to occur during local elasto-plastic transition. To investigate the effects of microstructure variability on the SCG rate, sets of different microstructure realizations are constructed, in which cracks of different length are introduced to mimic quasi-static SCG in engineering alloys. From these results, the behavior of the characteristic variables of different length scale are analyzed: (i) Von Mises stress fields (ii) resolved shear stress/strain in the pertinent slip systems, and (iii) slip accumulation/irreversibilities. Through fatigue indicator parameters (FIP), scatter within the SCG rates is related to variability in the microstructural features; the results demonstrate that this relationship between microstructure variability and uncertainty in fatigue behavior is critical for accurate fatigue life prediction.

Ricerche di campo per lo sviluppo della tecnologia del maschio sterile nella lotta ad Aedes albopictus (Skuse)

Aedes albopictus (Skuse), comunemente detta Zanzara Tigre, ha invaso, negli ultimi anni, molti paesi, soprattutto in modo passivo attraverso il commercio di pneumatici usati. Questa specie è particolarmente adatta all'applicazione della tecnica dell'insetto sterile (SIT), basata su allevamento massale, sterilizzazione e rilascio in campo di un gran numero di maschi della specie vettrice. I maschi sterili rilasciati devono essere in grado di volare, di disperdersi sul territorio, di sopravvivere, di essere sessualmente attivi abbastanza a lungo per coprire il tempo tra una fase di rilascio e la successiva, di individuare le femmine vergini selvatiche e competere con successo per l'accoppiamento con i maschi selvatici. La dispersione e la sopravvivenza dei maschi di Ae. albopictus allevati in laboratorio, sono state studiate mediante tecniche di marcatura, rilascio e ricattura. Le catture sono state eseguite da tecnici specializzati, in un raggio di 350 m dal sito di rilascio. Gli esperimenti condotti hanno dimostrato che i maschi sono in grado di disperdersi, dal sito di rilascio, per circa 200 m ma la loro longevità in campo è fortemente dipendente dalle condizioni climatiche. In studi di semi-campo e di campo è stato valutato uno speciale dispositivo progettato per essere incluso nella stazione di rilascio dei maschi in grado di fornire loro fonti energetiche per migliorarne le prestazioni. I risultati ottenuti sono stati positivi. Studi di competitività sono stati condotti in tunnel costruiti in un ambiente naturale al fine di validare un protocollo per studi sulla competitività dei maschi in questo modello sperimentale. Maschi irraggiati mediante l'applicazione di raggi gamma alla dose di 30 Gy sono stati messi in competizione con maschi fertili per l'accoppiamento con femmine vergini con diversi rapporti. I risultati ottenuti hanno dimostrato le buone prestazioni e l'affidabilità di questo modello sperimentale rimanendo però irrisolto il problema dell’elevata variabilità.

Sistemi di comunicazione a corto raggio: analisi sperimentale con dispositivi NFC.

Una delle tecnologie radio che negli ultimi anni ha subito il maggior sviluppo è quella dell’identificazione a radio frequenza (Radio Frequency Identification), utilizzata in un gran numero di ambiti quali la logistica, il tracciamento, l’autenticazione e i pagamenti elettronici. Tra le tecnologie specifiche legate all’RFID si ritrova la Near Field Communication (NFC). Questa è una tecnologia di trasmissione dati a corto raggio che rappresenta un’evoluzione dell’RFID. Una delle caratteristiche dell’NFC è quella di instaurare una comunicazione tra due dispositivi in maniera semplice e intuitiva. L’oggetto che instaura la comunicazione è il Reader, nell’ambito RFID è un dispositivo altamente specializzato, poiché può lavorare a diverse frequenze operative. L’elemento innovativo che ha consentito il successo dell’NFC è il fatto che questa tecnologia possa integrare il Reader in uno strumento di comunicazione di largo uso, ovvero lo smartphone. Questo permette di inizializzare lo scambio dati, sia esso di lettura di un circuito integrato passivo o una trasmissione peer-to-peer, a seguito del naturale gesto di avvicinare lo smartphone. Analisti ed esperti del settore sono convinti del successo dell’NFC, nonostante siano state smentite le attese che vedevano l’NFC integrato in oltre la metà dei cellulari entro il 2010. Tra le molteplici applicazioni NFC in questo elaborato ci si soffermerà in particolare sul cosiddetto Smart Poster. Questo utilizzo può essere molto efficace avendo una gamma di impiego molto vasta. Per l’immagazzinamento dei dati nei Tag o nelle Smart Card si è utilizzato un protocollo d’incapsulamento dati chiamato NDEF (NFC Data Exchange Format) trattato nel capitolo 3 di questa trattazione. Nella seconda parte dell’elaborato si è realizzata una sperimentazione per misurare le distanze di funzionamento di cellulari e Reader per PC. In questo ambito si è realizzato quello che si è definito lo Smart Brick, cioè un mattone che comunica con dispositivi NFC grazie all’installazione di un Tag al suo interno. Si parlerà della realizzazione e degli strumenti software/hardware che hanno permesso di realizzare e programmare questo ”mattone elettronico”.

Valutazione degli effetti dei processi tecnologici sulla resistenza al pitting in soluzione salina di acciao aisi 316L saldato

L'obiettivo di questa tesi è lo studio del comportamento a corrosione per pitting dell’acciaio inox AISI 316L saldato TIG e sottoposto a differenti cicli di laminazione e di ripristino del film passivo.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Studio di fattibilità di applicazione di radar UWB per controlli non distruttivi

Studio di fattibilità sull'utilizzo della tecnologia radar Ultra Wideband per il controllo non distruttivo di manufatti in materiale composito in fibra di carbonio. La tecnologia radar UWB permette, a differenza dei radar convenzionali, una maggiore risoluzione e un maggior quantitativo di informazioni estraibili dal segnale ricevuto come eco. Nella prima parte del lavoro ci si è concentrati sulla individuazione dell'eventuale presenza del difetto in lastre di materiale composito di differenti dimensioni. Le lastre vengono "illuminate" da un fascio di onde radar UWB dal cui eco si estraggono le informazioni necessarie per determinare la presenza o meno del difetto. Lo scopo è progettare le basi di un algoritmo che, qualora la lastra in esame presenti una certa difettologia, informi l'utente della presenza dell'anomalia. Nella seconda parte si è passati a scansionare la lastra con un radar UWB in modo tale da costruire un'immagine della stessa grazie alle informazioni ricevute dai segnali eco. Per fare questo è stata necessaria dapprima la costruzione di un movimentatore ad hoc in grado di muovere il radar lungo due dimensioni (per permetterne la scansione del piano della lastra). Il movimentatore, autocostruito, è gestibile da Matlab attraverso cavo USB. L'algoritmo di controllo gestisce sia la movimentazione che l'acquisizione dei segnali ricevuti e quindi la creazione del database, punto di partenza per la creazione dell'immagine della lastra. Rispetto alla prima fase del lavoro dove si cercava di sapere se ci fosse o meno il difetto, ora, si è in grado di determinare dimensione e posizione dello stesso.

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.