Calcolo strutturale ed ottimizzazione sedile in materiale composito per elicottero ultraleggero

Il lavoro svolto consiste nel processo di ottimizzazione strutturale di un sedile in materiale composito per un elicottero ultraleggero, attraverso un processo iterativo di simulazione FEM e modifiche al progetto, interpretando i dati ricavati dalle simulazioni, nel rispetto della normativa FAR 27. I risultati ottenuti hanno permesso di dimezzare il peso iniziale e resistere meglio agli sforzi, con implicazioni benefiche anche sul costo finale del prodotto che presenta minori costi del materiale e tempi di lavorazione ridotti sia in fase di laminazione che in fase di ciclo di cura in autoclave.

Studio della reazione di isomerizzazione del d-glucosio

I carboidrati, come il D-glucosio, sono i principali costituenti della biomasse e potrebbero rappresentare un’alternativa concreta alla chimica tradizionale del petrolio per la produzione dei building-blocks, utili quest’ultimi per lo sviluppo della filiera produttiva della chimica industriale. Dal D-glucosio è possibile ottenere epimeri importanti per la medicina o zuccheri largamente utilizzati in campo alimentare come il D-fruttosio tramite isomerizzazione strutturale del D-glucosio. Attualmente, la maggior parte dei metodi di sintesi di questa molecole prevedono l’utilizzo enzimi, o la catalisi omogenea con impiego di grandi quantità di basi e acidi minerali dannosi per l’ambiente. Lo scopo di questo lavoro è stato lo studio di innovativi catalizzatori eterogenei capaci operare in soluzione acquosa la conversione acido catalizzata del D-glucosio in prodotti di epimerizzazione e isomerizzazione strutturale. I catalizzatori dei nostri test sono stati caratterizzati tramite tecniche BET, ATR-IR, DRUv-Vis e XRD. Lo studio, quindi, è stato focalizzato sulle valutazioni delle prestazioni catalitiche di questi sistemi e sull’individuazione, tramite caratterizzazione strumentale, degli ioni costituenti questi solidi responsabili delle alte selettività nelle reazioni di riarrangiamento strutturale del D-glucosio. Gli studi condotti hanno portato alla conclusione che, grazie all’utilizzo di questi sistemi inorganici è possibile ottenere con alte selettività prodotti di riarrangiamento strutturale del D-glucosio, evitando al contempo la degradazione del substrato che in genere accompagna queste reazioni in condizioni di catalisi acida. Ulteriori studi riguardanti questi catalizzatori apriranno con buone probabilità la strada allo sviluppo di un nuovo processo industriale per la sintesi di questi zuccheri derivati, rendendo possibile una via produttiva sostenibile da un punto di vista economico che ambientale.

Deposizione di grafene su superfici porose 3D col metodo CVD

L’attività di tesi, svolta presso i laboratori dell’Istituto CNR-IMM di Bologna, si è focalizzata sulla crescita tramite Deposizione Chimica da Fase Vapore di schiume di grafene - network tridimensionali costituiti da fogli di grafene interconnessi, in grado di unire le straordinarie proprietà del grafene ad una elevatissima area superficiale - e sulla loro caratterizzazione, con l’obiettivo di sintetizzare strutture 3D di grafene con una porosità controllata e buone caratteristiche strutturali. Nel primo capitolo della tesi vengono illustrate da un punto di vista generale le caratteristiche e proprietà salienti del grafene, sia dal punto di vista strutturale che fisico. il secondo capitolo è dedicato alle tecniche di produzione del materiale, dall’esfoliazione meccaniche, a quella chimica, per arrivare alle tecniche di crescita vere e proprie. Maggiore attenzione viene chiaramente riservata alla Deposizione Chimica da Fase Vapore, utilizzata poi nell’ambito dell’attività sperimentale svolta. Nel terzo capitolo vengono descritti in dettaglio tutti gli apparati sperimentali utilizzati, sia per la sintesi del materiale (il sistema CVD), che per la sua caratterizzazione (microscopia elettronica a scansione, diffrazione a raggi X, spettroscopia fotoelettronica a raggi X e Raman). Il quarto ed il quinto capitolo sono dedicati alla parte sperimentale vera e propria. Nel quarto si descrive e si discute il processo messo a punto per crescere strutture tridimensionali di grafene a partire da schiume metalliche commerciali, mentre nel quinto vengono infine descritti gli approcci originali messi a punto per la sintesi di strutture con porosità controllata. Nelle conclusioni, infine, oltre a tirare le somme di tutto il lavoro svolto, vengono delineate le prospettive applicative dei materiali prodotti e le attività che sono attualmente in corso relative alla loro caratterizzazione e al loro impiego.

Caratterizzazione di resine epossidiche per materiali compositi realizzati in infusione ad alta pressione

I materiali compositi, grazie alla combinazione delle proprietà dei singoli componenti di cui sono costituiti, in particolare la coesistenza di elevate caratteristiche meccaniche e pesi ridotti, rivestono da tempo un ruolo fondamentale nell’industria aeronautica e nel settore delle competizioni automobilistiche e motociclistiche. La possibilità di progettare i materiali in funzione della loro applicazione, unita alla riduzione dei costi di produzione, permette una crescente diffusione del loro utilizzo e l’ampliamento delle applicazioni a moltissimi altri settori, sia per componenti di tipo strutturale, sia di tipo estetico. L’obiettivo della presente tesi è analizzare, attraverso una campagna sperimentale, il comportamento di diversi materiali realizzati con la tecnica di produzione HP-RTM, tramite prove di taglio interlaminare e flessione, al fine di verificare l’applicabilità di tale processo a prodotti strutturali, in modo da velocizzare i tempi di produzione e quindi di abbassare i costi, mantenendo al tempo stesso elevate proprietà meccaniche. Lo scopo di questa campagna quindi è fornire, attraverso lo studio di 30 serie di provini, il materiale migliore in termini di resistenza a flessione e taglio interlaminare; inoltre per ogni tipologia di materiale vengono descritte le diverse distribuzioni dei valori di rottura riscontrati, in modo da lasciare al progettista più libertà possibile nella scelta del materiale in base alle specifiche richieste per una determinata applicazione. Questo studio permette di analizzare l’influenza di ogni singolo componente (tipo di fibra, tipo di binder, presenza o assenza di IMR), all’interno della stessa resina.

Il controllo delle strutture tettoniche sul carsismo dei Gessi bolognesi: i casi di studio delle doline della Spipola e dell'Inferno

Le relazioni tra carsismo e strutture tettoniche sono indubbiamente uno dei campi dell'indagine speleogenetica più interessanti per comprendere le relazioni dei sistemi carsici con la geologia di una determinata area. La struttura di un sistema carsico dipende infatti da molteplici fattori, il cui ruolo può essere sostanzialmente passivo (caratteristiche strutturali) o attivo (condizioni ambientali). Per quanto sia conosciuta l'indubbia relazione di controllo dei fattori passivi sullo sviluppo e l'evoluzione dei sistemi carsici, mancano ancora in letteratura dei testi dettagliati e focalizzati sul controllo che le strutture tettoniche hanno sul carsismo alla macro scala. L'obiettivo di questa tesi è analizzare l'area carsica dei Gessi bolognesi attraverso indagini di rilevamento sia in esterno che in grotta per: a) integrare e migliorare la già esistente cartografia geologica attraverso i dati reperibili direttamente dal sottosuolo; b) delineare dei modelli sui principali meccanismi di controllo strutturale sulla speleogenesi dell'area in esame.

L'elettromiografia: principio di funzionamento e applicazioni in ambito sportivo

Il sistema muscolare scheletrico è l'insieme di organi adibiti al movimento, il quale è permesso dalla contrazione muscolare. L’elettromiografia è un esame di tipo funzionale che analizza il funzionamento di uno o più muscoli attraverso i potenziali elettrici che si sviluppano in esso durante la contrazione. Patologie del sistema muscolare o del sistema nervoso possono compromettere il comportamento fisiologico che il corpo richiede e l’elettromiografia può aiutare nella diagnosi. Oltre al campo medico, l’elettromiografia può dimostrarsi utile in ambito sportivo, valutando come il sistema muscolare evolve nella sua risposta quando sottoposto a cicli di lavoro o di recupero. Obiettivo dell’elaborato è descrivere e comprendere il principio di funzionamento dell’indagine elettromiografica, analizzando lo strumento elettromiografo e il segnale elettromiografico, e come può essere applicata in ambito sportivo. È fornita una breve descrizione del sistema muscolare, dal punto di vista strutturale e meccanico, e del sistema nervoso, dal punto di vista elettrico. Tali principi permettono di comprendere come la forza muscolare viene prodotta e come il segnale mioelettrico si propaga. Dell’elettromiografo sono presentati gli elementi utilizzati per la registrazione e l’elaborazione del segnale. Per quanto riguarda il segnale, invece, vengono esposti i metodi di acquisizione, interpretazione ed elaborazione digitale dello stesso. In un’ultima parte si confrontano alcune specifiche tecniche di elettromiografi commerciali in funzione della specifica applicazione. È infine affrontato l’utilizzo dell’elettromiografia in ambito sportivo, esponendo alcuni articoli riguardanti il nuoto e il rugby. Nel caso del nuoto è esaminato come alcuni muscoli reagiscono lavorando ad intensità diverse e tra atleti di livello agonistico differente. Invece, nel caso del rugby viene fatto un confronto su come alcuni muscoli si attivano in un soggetto sano e in un soggetto patologico.

Sintesi e caratterizzazione di batterie tipo rocking chair basate sugli analoghi del blu di Prussia

La rapida espansione del mercato delle batterie incalza lo sviluppo di materiali elettrodici basati su elementi largamente disponibili sulla crosta terrestre, rispettosi dell'ambiente ed economicamente sostenibili. Nel presente elaborato si effettua lo studio di elettrodi basati sugli analoghi del blu di Prussia (PBA) come una classe di composti inorganici che presenta diverse proprietà elettrochimiche adatte per applicazioni legate all’energy storage. A tal riguardo, la sintesi del PBA ferro esacianocobaltato (FeHCC) è stata effettuata mediante un metodo di coprecipitazione semplice e poco costoso. L’utilizzo di tecniche analitiche quali XAS, PXRD, MP-AES e TGA ha permesso di ricavare la composizione del ferro esacianocobaltato, dell'esacianoferrato di titanio e del manganese esacianoferrato nonché diverse informazioni di carattere strutturale. In seguito, le prestazioni elettrochimiche degli elettrodi sono state valutate mediante voltammetria ciclica, utilizzando come agenti intercalanti gli ioni K+ e Na+ contenuti nel relativo elettrolita acquoso.Infine, grazie ai dati così ottenuti, è stato possibile assemblare e testare diversi layout di coin cell in configurazione rocking chair completamente basate su elettrodi PBA; anche in questo caso, la voltammetria ciclica e le tecniche galvanostatiche sono state utilizzate per valutare le prestazioni elettrochimiche e raccogliere informazioni sulla capacità gravimetrica ottenibile da questi dispositivi.

Analisi della performance sismica di un edificio esistente in C.A. mediante metodo SLaMA e valutazione delle perdite economiche attese

A metà del secolo scorso in Italia un elevato numero di edifici in cemento armato con struttura a telaio è stata realizzata, in accordo con la Normativa dell’epoca, per resistere unicamente alle azioni verticali presentando un’elevata vulnerabilità nei riguardi delle azioni sismiche. I cambiamenti apportati dalle più recenti Normative volgono l’attenzione alla problematica della vulnerabilità sismica degli edifici esistenti, rendendo l’analisi del comportamento di questi ultimi un tema di grande rilevanza ed attualità. In questo contesto, viene selezionato un edificio esistente per il quale viene valutata la capacità sismica mediante una metodologia analitica denominata SLaMA, e vengono stimate le perdite economiche sismiche utilizzando la metodologia del Sisma Bonus Italiano. L’utilizzo di metodologie di calcolo semplificate rappresenta al giorno d’oggi una robusta alternativa da utilizzare in fase di valutazione progettuale preliminare. Le operazioni eseguite per l’edificio esistente vengono poi ripetute anche per due differenti opzioni di rinforzo strutturale proposte per lo stesso. I risultati ottenuti in termini di capacità sono stati posti a confronto con quelli ricavati dalla modellazione ad elementi finiti su software di calcolo per validare il metodo semplificato, mentre i risultati derivati dal calcolo delle perdite economiche sono stati confrontati con quelli ricavati mediante una metodologia più raffinata di analisi per verificare la corrispondenza e l’accuratezza del parametro di perdita calcolato (PAM). Infine, vengono esposti i risultati ottenuti per gli edifici analizzati proponendo dei confronti fra gli stessi, in modo da individuare la scelta progettuale più conveniente sia in merito alla performance sismica dell’edificio che alla riduzione della perdita economica attesa.

Caratterizzazione di laboratorio di miscele bituminose di micro-usura a ridotto impatto ambientale

L’ambito delle infrastrutture stradali deve approcciarsi ad una progettazione sostenibile, studiando soluzioni prestazionali ma a basso impatto ambientale. La presente sperimentazione ha come scopo la caratterizzazione di un conglomerato bituminoso per strato di micro – usura, prodotto a caldo, costituito interamente da aggregati di riciclo. Gli aggregati utilizzati sono stati fresato d’asfalto, aggregato derivante da processi di lavorazione dell’acciaio e sabbia derivante dall’incenerimento dei rifiuti solidi urbano, sottoposti a prove di caratterizzazione volumetrica e meccanica. Si è dimostrato che il loro utilizzo non ha intaccato le prestazioni delle miscele. Si sono progettate due tipologie di miscele utilizzando bitume hard e bitume 50 / 70 con aggiunta di fibra strutturale. Si sono effettuate prove per la caratterizzazione volumetrica e meccanica su miscele con differenti percentuali di bitume si è arrivati a considerare quella ottimale. Si sono valutate le prestazioni delle miscele, confrontandole e studiando l’influenza della fibra strutturale nella miscela con bitume 50 / 70. Tale fibra ha migliorato le prestazioni della miscela, ottenendo un conglomerato durevole, con un buon comportamento in esercizio che necessita di minore manutenzione.

Disegno e Metodi applicati allo studio di una bicicletta pieghevole innovativa

L’elaborato è incentrato sullo studio di una bicicletta pieghevole innovativa attraverso i metodi dell’Ingegneria Industriale. All’interno del moderno contesto urbano, la bicicletta pieghevole rappresenta una soluzione valida per quegli utenti che cercano un mezzo versatile, autonomo, economico, compatto e adatto alla nuova mobilità intermodale. Negli ultimi anni i costruttori di pieghevoli si trovano a dover soddisfare le richieste di una clientela sempre più consapevole e attenta, cercando di proporre prodotti che siano in grado di combinare praticità e prestazioni, con particolare attenzione al dettaglio e all’immagine. Lo scopo di questo progetto è quello di disegnare un mezzo a propulsione muscolare che sia in grado di offrire la migliore esperienza d’uso possibile. Attraverso un’attenta analisi di mercato tramite il metodo del Quality Function Deployment si individuano le caratteristiche chiave del prodotto e si indirizza la fase di progettazione, portata avanti attraverso l’impostazione tecnica del prodotto il disegno di un meccanismo di piega inedito. Successivamente si passa alla definizione delle geometrie e alla realizzazione dello stile tramite la costruzione di un modello 3D al CAD, a cui segue una fase di analisi strutturale col Metodo degli Elementi Finiti, secondo le prove previste dalla normativa europea per la sicurezza delle biciclette, che porta al re-design alla validazione del prodotto finale.

Scalability of efficient parallel K-Means

Clustering is defined as the grouping of similar items in a set, and is an important process within the field of data mining. As the amount of data for various applications continues to increase, in terms of its size and dimensionality, it is necessary to have efficient clustering methods. A popular clustering algorithm is K-Means, which adopts a greedy approach to produce a set of K-clusters with associated centres of mass, and uses a squared error distortion measure to determine convergence. Methods for improving the efficiency of K-Means have been largely explored in two main directions. The amount of computation can be significantly reduced by adopting a more efficient data structure, notably a multi-dimensional binary search tree (KD-Tree) to store either centroids or data points. A second direction is parallel processing, where data and computation loads are distributed over many processing nodes. However, little work has been done to provide a parallel formulation of the efficient sequential techniques based on KD-Trees. Such approaches are expected to have an irregular distribution of computation load and can suffer from load imbalance. This issue has so far limited the adoption of these efficient K-Means techniques in parallel computational environments. In this work, we provide a parallel formulation for the KD-Tree based K-Means algorithm and address its load balancing issues.

Non-uniform data distribution for communication-efficient parallel clustering

Global communicationrequirements andloadimbalanceof someparalleldataminingalgorithms arethe major obstacles to exploitthe computational power of large-scale systems. This work investigates how non-uniform data distributions can be exploited to remove the global communication requirement and to reduce the communication costin parallel data mining algorithms and, in particular, in the k-means algorithm for cluster analysis. In the straightforward parallel formulation of the k-means algorithm, data and computation loads are uniformly distributed over the processing nodes. This approach has excellent load balancing characteristics that may suggest it could scale up to large and extreme-scale parallel computing systems. However, at each iteration step the algorithm requires a global reduction operationwhichhinders thescalabilityoftheapproach.Thisworkstudiesadifferentparallelformulation of the algorithm where the requirement of global communication is removed, while maintaining the same deterministic nature ofthe centralised algorithm. The proposed approach exploits a non-uniform data distribution which can be either found in real-world distributed applications or can be induced by means ofmulti-dimensional binary searchtrees. The approachcanalso be extended to accommodate an approximation error which allows a further reduction ofthe communication costs. The effectiveness of the exact and approximate methods has been tested in a parallel computing system with 64 processors and in simulations with 1024 processing element

Efficient group communication for large-scale parallel clustering

Global communication requirements and load imbalance of some parallel data mining algorithms are the major obstacles to exploit the computational power of large-scale systems. This work investigates how non-uniform data distributions can be exploited to remove the global communication requirement and to reduce the communication cost in iterative parallel data mining algorithms. In particular, the analysis focuses on one of the most influential and popular data mining methods, the k-means algorithm for cluster analysis. The straightforward parallel formulation of the k-means algorithm requires a global reduction operation at each iteration step, which hinders its scalability. This work studies a different parallel formulation of the algorithm where the requirement of global communication can be relaxed while still providing the exact solution of the centralised k-means algorithm. The proposed approach exploits a non-uniform data distribution which can be either found in real world distributed applications or can be induced by means of multi-dimensional binary search trees. The approach can also be extended to accommodate an approximation error which allows a further reduction of the communication costs.

Materiali Compositi a Matrice Cementizia per i Rinforzi Strutturali

L’utilizzo degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) nel campo dell’ingegneria civile riguarda essenzialmente il settore del restauro delle strutture degradate o danneggiate e quello dell’adeguamento statico delle strutture edificate in zona sismica; in questi settori è evidente la difficoltà operativa alla quale si va in contro se si volessero utilizzare tecniche di intervento che sfruttano materiali tradizionali. I motivi per cui è opportuno intervenire con sistemi compositi fibrosi sono: • l’estrema leggerezza del rinforzo, da cui ne deriva un incremento pressoché nullo delle masse sismiche ed allo stesso tempo un considerevole aumento della duttilità strutturale; • messa in opera senza l’ausilio di particolari attrezzature da un numero limitato di operatori, da cui un minore costo della mano d’opera; • posizionamento in tempi brevi e spesso senza interrompere l’esercizio della struttura. Il parametro principale che definisce le caratteristiche di un rinforzo fibroso non è la resistenza a trazione, che risulta essere ben al di sopra dei tassi di lavoro cui sono soggette le fibre, bensì il modulo elastico, di fatti, più tale valore è elevato maggiore sarà il contributo irrigidente che il rinforzo potrà fornire all’elemento strutturale sul quale è applicato. Generalmente per il rinforzo di strutture in c.a. si preferiscono fibre sia con resistenza a trazione medio-alta (>2000 MPa) che con modulo elastico medio-alto (E=170-250 GPa), mentre per il recupero degli edifici in muratura o con struttura in legno si scelgono fibre con modulo di elasticità più basso (E≤80 GPa) tipo quelle aramidiche che meglio si accordano con la rigidezza propria del supporto rinforzato. In questo contesto, ormai ampliamente ben disposto nei confronti dei compositi, si affacciano ora nuove generazioni di rinforzi. A gli ormai “classici” FRP, realizzati con fibre di carbonio o fibre di vetro accoppiate a matrici organiche (resine epossidiche), si affiancano gli FRCM (Fiber Reinforced Cementitious Matrix), i TRM (Textile Reinforced Mortars) e gli SRG (Steel Reinforced Grout) che sfruttano sia le eccezionali proprietà di fibre di nuova concezione come quelle in PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), sia un materiale come l’acciaio, che, per quanto comune nel campo dell’edilizia, viene caratterizzato da lavorazioni innovative che ne migliorano le prestazioni meccaniche. Tutte queste nuove tipologie di compositi, nonostante siano state annoverate con nomenclature così differenti, sono però accomunate dell’elemento che ne permette il funzionamento e l’adesione al supporto: la matrice cementizia

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.