Sviluppo e validazione di un algoritmo per la conversione delle incertezze delle effemeridi dell'asteroide Didymos

Per determinare lo stato di un satellite ad ogni istante è necessario un propagatore orbitale, cioè un algoritmo che, partendo da condizioni iniziali note, calcola la traiettoria di un corpo in un intervallo di tempo arbitrario. L’orbita ottenuta è tuttavia soggetta ad errori numerici (errori di propagazione) ed incertezze. Queste ultime derivano da condizioni iniziali non precise, in quanto ricavate da osservazioni, soggette ad errori di misurazione, o ipotesi sui parametri dell’orbita e del corpo. Per questo motivo è importante utilizzare il propagatore anche per verificare l’evoluzione di tali incertezze nel tempo tramite un processo noto come analisi della covarianza. Questo processo permette di valutare l’entità dell’incertezza calcolandone la variazione rispetto allo stato iniziale a cui è generata e la rispondenza ai requisiti di missione. Lo scopo della tesi è l’incremento di precisione del propagatore orbitale esistente e lo sviluppo di strumenti per il supporto della missione LICIACube (Light Italian Cubesat for Imaging of Asteroids). In particolare, saranno implementati effetti secondari nel modello di propagazione ed uno strumento per la propagazione e conversione della rappresentazione di incertezze delle effemeridi. Questo permetterà la valutazione della precisione dell’orbita di Didymos e di LICIACube, dal suo rilascio fino al flyby. Per l’esportazione della traiettoria calcolata viene presentata una funzione che, tramite interpolazione, rappresenti l’orbita generata utilizzando un limitato spazio di memoria.

Ottimizzazione e validazione sperimentale di una nuova procedura per chirurgia stereotassica

Gli interventi in campo neurologico richiedono un’elevata accuratezza e si basano generalmente su sistemi invasivi. Lo scopo della seguente trattazione è quello di presentare e validare sistemi innovativi per interventi di chirurgia stereotassica caratterizzati da una bassa invasività e una elevata accuratezza. Lo studio, partito dall’analisi dello stato dell’arte, pone la sua attenzione su nuove proposte e le ottimizza, ne ricava dei protocolli attuabili e li valida sperimentalmente. Due sono i punti salienti dell’elaborato: descrivere la procedura innovativa di intervento e i risultati in termini di affidabilità dello stesso. Gli elementi di novità si concentrano sull’ideazione e la realizzazione del sistema di fissaggio al cranio del paziente, elemento fondamentale per un accurato inserimento dell’utensile chirurgico, e sul metodo di verifica dell’accuratezza del sistema proposto. La qualità di tale sistema viene infine decretata dai risultati dei test sperimentali.

Analysis of the impact of stationary energy storage systems in trolleybus grids using Simulink-based modelling

The voltage profile of the catenary between traction substations (TSSs) is affected by the trolleybus current intake and by its position with respect to the TSSs: the higher the current requested by the bus and the further the bus from the TSSs, the deeper the voltage drop. When the voltage drops below 500V, the trolleybus is forced to decrease its consumption by reducing its input current. This thesis deals with the analysis of the improvements that the installation of an BESS produces in the operation of a particularly loaded FS of the DC trolleybus network of the city of Bologna. The stationary BESS is charged by the TSSs during off-peak times and delivers the stored energy when the catenary is overloaded alleviating the load on the TSSs and reducing the voltage drops. Only IMC buses are considered in the prospect of a future disposal of all internal combustion engine vehicles. These trolleybuses cause deeper voltage drops because they absorb enough current to power their traction motor and recharge the on board battery. The control of the BESS aims to keep the catenary voltage within the admissible voltage range and makes sure that all physical limitations are met. A model of FS Marconi Trento Trieste is implemented in Simulink environment to simulate its daily operation and compare the behavior of the trolleybus network with and without BESS. From the simulation without BESS, the best location of the energy storage system is deduced, and the battery control is tuned. Furthermore, from the knowledge of the load curve and the battery control trans-characteristic, it is formulated a prediction of the voltage distribution at BESS connection point. The prediction is then compared with the simulation results to validate the Simulink model. The BESS allows to decrease the voltage drops along the catenary, the Joule losses and the current delivered by the TSSs, indicating that the BESS can be a solution to improve the operation of the trolleybus network.

Development of JADE, a new software for the verification and validation of nuclear data libraries

Nuclear cross sections are the pillars onto which the transport simulation of particles and radiations is built on. Since the nuclear data libraries production chain is extremely complex and made of different steps, it is mandatory to foresee stringent verification and validation procedures to be applied to it. The work here presented has been focused on the development of a new python based software called JADE, whose objective is to give a significant help in increasing the level of automation and standardization of these procedures in order to reduce the time passing between new libraries releases and, at the same time, increasing their quality. After an introduction to nuclear fusion (which is the field where the majority of the V\&V action was concentrated for the time being) and to the simulation of particles and radiations transport, the motivations leading to JADE development are discussed. Subsequently, the code general architecture and the implemented benchmarks (both experimental and computational) are described. After that, the results coming from the major application of JADE during the research years are presented. At last, after a final discussion on the objective reached by JADE, the possible brief, mid and long time developments for the project are discussed.

Sviluppo e modellazione di strategie Anti-Dive e Anti-Squat per il controllo delle sospensioni di un motociclo

L'attività di tesi svolta presso l'azienda VRM spa è stata focalizzata sullo studio e sull’implementazione di un sistema di controllo elettronico per le sospensioni di un motociclo. Con questo obiettivo, sono state affrontate le fasi di analisi del sistema sospensioni della moto Benelli 752S, della modellazione multibody del veicolo e della modellazione matematica delle strategie Anti-Dive e Anti-Squat. Tali strategie di controllo sono volte a limitare rispettivamente la velocità di affondamento della forcella, in fase di frenata, e lo squat della moto sulla ruota posteriore, in accelerazione. Le considerazioni teoriche, alla base di questo studio, sono state supportate da una serie di simulazioni effettuate mediante il software Simulink di Matlab, che ha consentito di rappresentare il comportamento dinamico del sistema. A completamento della ricerca sopra citata, sono state condotte attività sperimentali volte a riprodurre le condizioni in cui le strategie di controllo vengono messe in atto e a validare la risposta ottenuta dal modello Simulink nei medesimi scenari operativi. Queste verifiche hanno dimostrato l'adeguatezza delle variabili individuate come input del controllo e la corrispondenza tra il comportamento del veicolo nei test su strada e i risultati ottenuti dal modello.

Sviluppo di un ambiente virtualizzato per la simulazione di attacchi a reti time-sensitive

Questo lavoro di tesi ha visto come obiettivo finale quello di realizzare una se- rie di attacchi, alcuni di questi totalmente originali, ai protocolli della famiglia Time-Sensitive Networking (TSN) attraverso lo sviluppo di un’infrastruttura virtualizzata. L’infrastruttura è stata costruita e progettata utilizzando mac- chine virtuali con Quick EMUlator (QEMU) come strato di virtualizzazione ed accelerate attraverso Kernel-based Virtual Machine (KVM). Il progetto è stato concepito come Infrastrucutre as Code (IaC), attraverso l’ausilio di Ansible e alcuni script shell utilizzati come collante per le varie parti del progetto.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

Progettazione di un sistema di taratura per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante hole-drilling

Nel seguente elaborato è stato sviluppato un metodo di validazione per dispositivi di misura delle tensioni residue mediante la tecnica dell'hole drilling. Esso si basa sul confronto tra tensioni residue ottenute per via teorica e sperimentale su un provino soggetto a carico imposto. Inizialmente si è proceduto attraverso lo studio della normativa di riferimento ASTM E837-20. In essa viene definito il metodo sperimentale di esecuzione dei test di hole drilling e di calcolo delle tensioni residue. In seguito è stata progettata un'attrezzatura di prova in grado di indurre un gradiente di tensione noto nello spessore del provino sollecitato. L'attrezzatura di prova in questione è stata verificata sia mediante calcoli numerici, che mediante software di simulazione agli elementi finiti. La fase di prototipazione seguente ha consentito di realizzare l'attrezzatura necessaria per l'esecuzione dei test sperimentali. Le forature sono state effettuate prima su provini scarichi, al solo scopo di scongiurare la presenza di tensioni residue e, in seguito, su provini soggetti a momento flettente noto. Le deformazioni ottenute tramite le letture degli estensimetri sono state impiegate per il calcolo delle tensioni secondo normativa ASTM E837-20. infine è stato possibile valutare l'efficacia del metodo paragonando tali risultati con quelli teorici.

Valutazione speditiva di vulnerabilità sismica di un edificio in c.a. e successiva validazione tramite modello agli elementi finiti

Il presente lavoro di tesi si è posto sostanzialmente due obbiettivi principali. Il primo è stato quello di valutare in maniera speditiva la vulnerabilità sismica dell’Edificio 5 - BO0960005 in uso alla polizia di stato, mediante il metodo RE.SIS.TO. Il secondo obiettivo è stato quello di validare tramite modellazione agli elementi finiti, i risultati ottenuti con la metodologia speditiva. In particolare è stato confrontato il rapporto PGAc/PGAd della struttura ottenuto con l’approccio speditivo, con quello ottenuto tramite un’analisi pushover. L’Edificio 5 – BO0960005 oggetto di studio, è composto da tre unità strutturali in c.a., denominate U.S.1, U.S.2 e U.S.3, separate da giunti sismici. Gli studi effettuati successivamente, quindi, considereranno ciascuna unità strutturale indipendente dalle altre. Come precedentemente esposto, la prima parte dell’elaborato tratta la valutazione speditiva della vulnerabilità sismica, attraverso l’utilizzo della classificazione RE.SIS.TO, il quale è in grado di definire il livello di criticità del fabbricato. Nell’applicazione del metodo è stato ottenuto un livello di sicurezza, pari all’88% per l’U.S.1, al 353% per l’U.S.2 e al 109% per l’U.S.3. La seconda parte della tesi è incentrata sull’implementazione dell’analisi pushover di tipo “cerniere concentrate” su un modello agli elementi finiti realizzato attraverso il software commerciale MidasGen. Essendo i risultati delle analisi PO una serie di curve di capacità, al fine di effettuare il confronto finale, si ha che in questo formato risulta impossibile ottenere una stima della PGA che porta a collasso la struttura. Per stimare da tale grandezza è stato utilizzato il Capacity Spectrum Method (CSM). Nell’ultima parte dell’elaborato vengono confrontati i valori di livelli di sicurezza ottenuti dalle due metodologie, dai quali si è potuta accertare la buona approssimazione della metodologia speditiva RE.SIS.TO nell’ambito della valutazione di vulnerabilità sismica.

Sviluppo e validazione di mappe di copertura nevosa per lo studio della variabilità del manto nevoso in Emilia Romagna nel periodo 2000-2020

Il telerilevamento satellitare costituisce una delle tecniche di osservazione maggiormente efficace nel monitoraggio e nello studio dell'estensione del manto nevoso. Il manto ricopre un ruolo di estrema importanza quale risorsa idrica per gli ecosistemi e per le applicazioni agricole e industriali. Inoltre, è un indicatore climatologico in un contesto di cambiamenti climatici regionali e globali. In questo senso, la copertura nevosa è da considerarsi come una importante risorsa economica e sociale. Lo scopo della presente tesi è di produrre mappe di copertura nevosa giornaliere per la stima dell'estensione del manto nevoso della regione Emilia-Romagna e di analizzare la sua variabilità spazio-temporale nel periodo 2000-2020. Le mappe sono state sviluppate sulla base dei prodotti di neve, M*D10A1, del sensore MODIS, che consistono in mappe di classificazione della copertura in funzione dell'indice NDSI. Inizialmente, è stato costruito un albero decisionale con criteri a soglia multipla in grado di rielaborare la classificazione della superficie del sensore e produrre mappe di copertura nevosa sulla base di tre classi: neve, no-neve e nube. L'accuratezza delle mappe è stata validata tramite test statistici effettuati confrontandole con i dati di altezza del manto nevoso in situ di 24 stazioni meteorologiche, per il periodo di compresenza dei dati 2000-2012. I risultati della procedura di validazione hanno mostrato come, in generale, vi sia buon accordo tra il dato satellitare e la rispettiva osservazione al suolo, soprattutto nei pressi di stazioni lontane da vegetazione sempreverde e/o di ambiente urbano. Infine, è stata valutata la variabilità climatologica dell'estensione del manto nevoso tramite l'elaborazione degli indici di neve SCF, SCD e diversi indici SCA. L'attenzione è stata particolarmente focalizzata sugli indici di massima estensione invernale del manto, del valore mediano e del numero di giorni con estensione superiore al 39.5% della regione.

Recupero e riutilizzo di uno scarpone da sci a fine vita. Ottimizzazione del processo di Design for Recycling con simulazione agli elementi finiti validata tramite correlazione di immagini digitale

Il presente elaborato di tesi è parte di un ampio progetto finalizzato alla realizzazione di uno scarpone da sci ottenuto per il 90% di materiale da riciclo di scarponi da sci a fine vita. L’obiettivo è di realizzare la progettazione del nuovo scarpone, e caratterizzarne le proprietà flessionali avvalendosi ti tecniche di simulazione numerica FEM validata attraverso Correlazione di Immagini Digitale. La caratterizzazione flessionale è realizzata con la prova del Flex Test, che consiste nell’imporre una flessione dorsale ad una protesi di gamba. Le prime simulazioni FEM di questo complesso modello hanno evidenziato delle criticità. La presente ricerca, si pone l’obiettivo di risolvere singolarmente questi problemi. Inizialmente, si è realizzata la blend polimerica dei materiali dello scafo e del gambetto dello scarpone. Si è effettuata la caratterizzazione meccanica del materiale, confrontandolo con il materiale vergine. Si è poi ricercato il modello costitutivo più adeguato di materiale iperelastico per il FEM. Successivamente, si è ottenuto il modello CAD della scarpetta attraverso l’approccio reverse engineering, con la tecnica della scansione 3D, la quale ha consentito di ottenere il file. STEP da aggiungere al modello FEM. La conoscenza della geometria effettiva ha consentito di realizzare il design della nuova scarpetta ottenuta da materiale riciclato. Infine, si è utilizzata la Correlazione di Immagini Digitali per studiare la cinematica della chiusura dei ganci dello scafo, e per studiare lo stato di deformazione residua a chiusura effettuata. Si è valutata l’influenza del piede della protesi, e della scarpetta, durante la chiusura dei ganci. In seguito, si è confrontato quanto ottenuto dalle evidenze sperimentali della DIC, con la simulazione agli elementi finiti. Si tratta di un approccio innovativo, che vede per la prima volta implementata la Correlazione di Immagini Digitali per realizzare la caratterizzazione meccanica di uno scarpone da sci.

Progetto LetsBox!: definizione del ciclo di vita del prodotto, design, sviluppo e validazione dell’UX

Questo volume di tesi ha l'obiettivo di descrivere l'intero processo di progettazione, sviluppo e rilascio di un'applicazione mobile, coinvolgendo anche gli end-user nella fase finale di valutazione. In particolare, il volume di tesi si sviluppa su quattro capitoli che descrivono 1) l'analisi dei requisiti, seguendo un approccio AGILE, 2) l'analisi del ciclo di vita del prodotto (inclusi business model e business plan), 3) l'architettura del sistema, e, infine, 4) la valutazione dell’usabilità e della UX. L'applicazione usata come caso di studio è "LetsBox!", un'applicazione mobile della categoria puzzle game, sviluppata sfruttando il framework di sviluppo di app ibride IONIC 5, con l’obiettivo di creare un gioco che coinvolgesse il giocatore tanto da farlo giocare nei suoi momenti di svago e indurlo a sfidare i record esistenti ma, nello stesso tempo creare un gioco originale e non esistente sul mercato.

Validazione di un modello In Silico di progressione dell'osteoporosi per la predizione del rischio di frattura dell'anca

Questo lavoro di tesi contribuisce allo sviluppo di una metodologia in silico, che può essere utilizzata sia come strumento clinico per la predizione del rischio di frattura, sia come strumento per la valutazione dell’efficacia di trattamenti farmacologici. Lo scopo di questo lavoro è di validare un modello di progressione dell’osteoporosi utilizzando dati clinici prospettici. Per fare ciò, è stata utilizzata una procedura già precedentemente validata da Bhattacharya et al. su una coorte retrospettica di Sheffield, con validazione effettuata unicamente per l’ARF0. In questo lavoro di tesi è stata intergata una legge di invecchiamento dell’osso e predetto il carico di rottura del femore ed il rischio di frattura fino a cinque anni successivi all’esecuzione della CT (ARF5). I risultati ottenuti sono poi stati confrontati con i dati reali, ovvero con le reali fratture che sono avvenute o meno nei pazienti reali oggetto dello studio. La validazione su una coorte prospettica ha evidenziato una discriminazione tra fratturati e non fratturati migliore rispetto a quella trovata per la coorte retrospettica. Tuttavia, l’ARF5 e l’ARF0, sui trentaquattro soggetti considerati, hanno delle prestazioni confrontabili.

Simulazione event-driven di folle con micro-interazione fisica ed elementi cognitivi

La simulazione computerizzata è uno strumento per prevedere il comportamento di un sistema quando il sistema non è indagabile. Molti sono gli ambiti in cui viene utilizzata. Uno fra questi è l'evacuazione di folle. Le numerose tragedie, conseguenti a situazioni o eventi in presenza di folle, che hanno luogo in ogni parte del mondo a causa dell'incapacità di reagire in maniera coordinata a situazioni di emergenza, rendono necessario un innalzamento della comprensione delle dinamiche che emergono durante l'evacuazione. Molti studi hanno analizzato quelli che sono gli aspetti psicologici dell'essere umano che entrano in gioco in situazioni di panico. Ma è anche necessario considerare che cosa accade a un livello fisico. Questo contributo ha come obiettivo l'introduzione, all'interno del simulatore Alchemist, di elementi di micro-interazione fisica che possano fare da ponte a ciò che accade a livello cognitivo, così che sia possibile far emergere caratteristiche osservabili, come spinte e cadute, nell'ottica di aumentare il realismo nelle simulazioni di evacuazione di folle.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.