Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.

Multi-scale approaches to Food Sciences: computational QM and MM explorations at the microscopic level

L'obiettivo principale della politica di sicurezza alimentare è quello di garantire la salute dei consumatori attraverso regole e protocolli di sicurezza specifici. Al fine di rispondere ai requisiti di sicurezza alimentare e standardizzazione della qualità, nel 2002 il Parlamento Europeo e il Consiglio dell'UE (Regolamento (CE) 178/2002 (CE, 2002)), hanno cercato di uniformare concetti, principi e procedure in modo da fornire una base comune in materia di disciplina degli alimenti e mangimi provenienti da Stati membri a livello comunitario. La formalizzazione di regole e protocolli di standardizzazione dovrebbe però passare attraverso una più dettagliata e accurata comprensione ed armonizzazione delle proprietà globali (macroscopiche), pseudo-locali (mesoscopiche), ed eventualmente, locali (microscopiche) dei prodotti alimentari. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è di illustrare come le tecniche computazionali possano rappresentare un valido supporto per l'analisi e ciò tramite (i) l’applicazione di protocolli e (ii) miglioramento delle tecniche ampiamente applicate. Una dimostrazione diretta delle potenzialità già offerte dagli approcci computazionali viene offerta nel primo lavoro in cui un virtual screening basato su docking è stato applicato al fine di valutare la preliminare xeno-androgenicità di alcuni contaminanti alimentari. Il secondo e terzo lavoro riguardano lo sviluppo e la convalida di nuovi descrittori chimico-fisici in un contesto 3D-QSAR. Denominata HyPhar (Hydrophobic Pharmacophore), la nuova metodologia così messa a punto è stata usata per esplorare il tema della selettività tra bersagli molecolari strutturalmente correlati e ha così dimostrato di possedere i necessari requisiti di applicabilità e adattabilità in un contesto alimentare. Nel complesso, i risultati ci permettono di essere fiduciosi nel potenziale impatto che le tecniche in silico potranno avere nella identificazione e chiarificazione di eventi molecolari implicati negli aspetti tossicologici e nutrizionali degli alimenti.

Indagine modellistica sulla tenuta idraulica delle difese arginali deputate alla protezione idraulica del territorio

La prima parte di questo lavoro di tesi tratta dell’interazione tra un bacino di laminazione e il sottostante acquifero: è in fase di progetto, infatti, la costruzione di una cassa di espansione sul torrente Baganza, a monte della città di Parma. L’obiettivo di tale intervento è di ridurre il rischio di esondazione immagazzinando temporaneamente, in un serbatoio artificiale, la parte più pericolosa del volume di piena che verrebbe rilasciata successivamente con portate che possono essere agevolmente contenute nel tratto cittadino del torrente. L’acquifero è stato preliminarmente indagato e monitorato permettendone la caratterizzazione litostratigrafica. La stratigrafia si può riassumere in una sequenza di strati ghiaioso-sabbiosi con successione di lenti d’argilla più o meno spesse e continue, distinguendo due acquiferi differenti (uno freatico ed uno confinato). Nel presente studio si fa riferimento al solo acquifero superficiale che è stato modellato numericamente, alle differenze finite, per mezzo del software MODFLOW_2005. L'obiettivo del presente lavoro è di rappresentare il sistema acquifero nelle condizioni attuali (in assenza di alcuna opera) e di progetto. La calibrazione è stata condotta in condizioni stazionarie utilizzando i livelli piezometrici raccolti nei punti d’osservazione durante la primavera del 2013. I valori di conducibilità idraulica sono stati stimati per mezzo di un approccio geostatistico Bayesiano. Il codice utilizzato per la stima è il bgaPEST, un software gratuito per la soluzione di problemi inversi fortemente parametrizzati, sviluppato sulla base dei protocolli del software PEST. La metodologia inversa stima il campo di conducibilità idraulica combinando osservazioni sullo stato del sistema (livelli piezometrici nel caso in esame) e informazioni a-priori sulla struttura dei parametri incogniti. La procedura inversa richiede il calcolo della sensitività di ciascuna osservazione a ciascuno dei parametri stimati; questa è stata valutata in maniera efficiente facendo ricorso ad una formulazione agli stati aggiunti del codice in avanti MODFLOW_2005_Adjoint. I risultati della metodologia sono coerenti con la natura alluvionale dell'acquifero indagato e con le informazioni raccolte nei punti di osservazione. Il modello calibrato può quindi essere utilizzato come supporto alla progettazione e gestione dell’opera di laminazione. La seconda parte di questa tesi tratta l'analisi delle sollecitazioni indotte dai percorsi di flusso preferenziali causati da fenomeni di piping all’interno dei rilevati arginali. Tali percorsi preferenziali possono essere dovuti alla presenza di gallerie scavate da animali selvatici. Questo studio è stato ispirato dal crollo del rilevato arginale del Fiume Secchia (Modena), che si è verificato in gennaio 2014 a seguito di un evento alluvionale, durante il quale il livello dell'acqua non ha mai raggiunto la sommità arginale. La commissione scientifica, la cui relazione finale fornisce i dati utilizzati per questo studio, ha attribuito, con molta probabilità, il crollo del rilevato alla presenza di tane di animali. Con lo scopo di analizzare il comportamento del rilevato in condizioni integre e in condizioni modificate dall'esistenza di un tunnel che attraversa il manufatto arginale, è stato realizzato un modello numerico 3D dell’argine mediante i noti software Femwater e Feflow. I modelli descrivono le infiltrazioni all'interno del rilevato considerando il terreno in entrambe le porzioni sature ed insature, adottando la tecnica agli elementi finiti. La tana è stata rappresentata da elementi con elevata permeabilità e porosità, i cui valori sono stati modificati al fine di valutare le diverse influenze sui flussi e sui contenuti idrici. Per valutare se le situazioni analizzate presentino o meno il verificarsi del fenomeno di erosione, sono stati calcolati i valori del fattore di sicurezza. Questo è stato valutato in differenti modi, tra cui quello recentemente proposto da Richards e Reddy (2014), che si riferisce al criterio di energia cinetica critica. In ultima analisi è stato utilizzato il modello di Bonelli (2007) per calcolare il tempo di erosione ed il tempo rimanente al collasso del rilevato.

An investigation of the dynamic characteristics of a bolted-rotor system

A Jeffcott rotor consists of a disc at the centre of an axle supported at its end by bearings. A bolted Jeffcott rotor is formed by two discs, each with a shaft on one side. The discs are held together by spring loaded bolts near the outer edge. When the rotor turns there is tendency for the discs to separate on one side. This effect is more marked if the rotor is unbalanced, especially at resonance speeds. The equations of motion of the system have been developed with four degrees of freedom to include the rotor and bearing movements in the respective axes. These equations which include non-linear terms caused by the rotor opening, are subjected to external force such from rotor imbalance. A simulation model based on these equations was created using SIMULINK. An experimental test rig was used to characterise the dynamic features. Rotor discs open at a lateral displacement of the rotor of 0.8 mm. This is the threshold value used to show the change of stiffness from high stiffness to low stiffness. The experimental results, which measure the vibration amplitude of the rotor, show the dynamic behaviour of the bolted rotor due to imbalance. Close agreement of the experimental and theoretical results from time histories, waterfall plots, pseudo-phase plots and rotor orbit plot, indicated the validity of the model and existence of the non-linear jump phenomenon.

Neural network enhanced self tuning adaptive control application for non-linear control of dynamic systems

The main theme of research of this project concerns the study of neutral networks to control uncertain and non-linear control systems. This involves the control of continuous time, discrete time, hybrid and stochastic systems with input, state or output constraints by ensuring good performances. A great part of this project is devoted to the opening of frontiers between several mathematical and engineering approaches in order to tackle complex but very common non-linear control problems. The objectives are: 1. Design and develop procedures for neutral network enhanced self-tuning adaptive non-linear control systems; 2. To design, as a general procedure, neural network generalised minimum variance self-tuning controller for non-linear dynamic plants (Integration of neural network mapping with generalised minimum variance self-tuning controller strategies); 3. To develop a software package to evaluate control system performances using Matlab, Simulink and Neural Network toolbox. An adaptive control algorithm utilising a recurrent network as a model of a partial unknown non-linear plant with unmeasurable state is proposed. Appropriately, it appears that structured recurrent neural networks can provide conveniently parameterised dynamic models for many non-linear systems for use in adaptive control. Properties of static neural networks, which enabled successful design of stable adaptive control in the state feedback case, are also identified. A survey of the existing results is presented which puts them in a systematic framework showing their relation to classical self-tuning adaptive control application of neural control to a SISO/MIMO control. Simulation results demonstrate that the self-tuning design methods may be practically applicable to a reasonably large class of unknown linear and non-linear dynamic control systems.

Oculomotor function in incipient presbyopia

The incipient phase of presbyopia represents a loss in accommodative amplitude of approximately 3 dioptres between the ages of 35 and 45 and is the prelude to the need for a reading addition. The need to maintain single binocular vision during this period requires re-calibration of the correspondence between accommodation and vergence response. No previous study has specifically attempted to correlate change in accommodative status with the profile of oculomotor responses occurring within the incipient phase of presbyopia. Measurements were made of the amplitude of accommodation, stimulus and response AC/A ratios, CA/C ratio, tonic accommodation, tonic vergence, proximal vergence, vergence adaptation and accommodative adaptation of 38 subjects. Twenty subjects were aged 35 to 45 years of age and 10 subjects were aged 20 to 30 years of age at the commencement of the study. The measurements were repeated at four-monthly intervals for a total of two years. The results of this study fail to support the Hess-Gullstrand theory of presbyopia with evidence that the effort to produce a unit change in accommodation increases with age. The data obtained has enabled the analysis of how each individual oculomotor function varies with the decline in amplitude of accommodation. MATLAB/SIMULINK software has been used to assist in the analysis and to allow the amendment of existing models to represent accurately the ageing oculomotor system. This study has proposed that with the decline in the amplitude of accommodation there is an increase in the accommodative convergence response per unit of accommodative response. To compensate for this increase, evidence has been found of a decrease in tonic vergence with age. If this decline in tonic vergence is not sufficient to counteract the increase in accommodative convergence, it is proposed that the near vision response is limited to the maximum vergence response that can be tolerated, with the resulting lower accommodative response being compensated for by an increase in the subjective depth-of-focus. When the blur due to the decrease in accommodative response can no longer be tolerated, the first reading addition will be required.

A coordinated control scheme for power demand changes in a PMSG based multi-terminal DC wind farm

Although maximum power point tracking (MPPT) is crucial in the design of a wind power generation system, the necessary control strategies should also be considered for conditions that require a power reduction, called de-loading in this paper. A coordinated control scheme for a proposed current source converter (CSC) based DC wind energy conversion system is presented in this paper. This scheme combines coordinated control of the pitch angle, a DC load dumping chopper and the DC/DC converter, to quickly achieve wind farm de-loading. MATLAB/Simulink simulations and experiments are used to validate the purpose and effectiveness of the control scheme, both at the same power level. © 2013 IEEE.

Powertrain optimisation in a hybrid electric bus

This paper describes the use of a formal optimisation procedure to optimise a plug-in hybrid electric bus using two different case studies to meet two different performance criteria; minimum journey cost and maximum battery life. The approach is to choose a commercially available vehicle and seek to improve its performance by varying key design parameters. Central to this approach is the ability to develop a representative backward facing model of the vehicle in MATLAB/Simulink along with appropriate optimisation objective and penalty functions. The penalty functions being the margin by which a particular design fails to meet the performance specification. The model is validated against data collected from an actual vehicle and is used to estimate the vehicle performance parameters in a model-in-the-loop process within an optimisation routine. For the purposes of this paper, the journey cost/battery life over a drive cycle is optimised whilst other performance indices are met (or exceeded). Among the available optimisation methods, Powell's method and Simulated Annealing are adopted. The results show this method as a valid alternative modelling approach to vehicle powertrain optimisation. © 2012 IEEE.

Solar PV-powered SRM drive for EVs with flexible energy control functions

Electric vehicles (EVs) provide a feasible solution to reducing greenhouse gas emissions and thus become a hot topic for research and development. Switched reluctance motors (SRMs) are one of promised motors for EV applications. In order to extend the EVs’ driving miles, the use of photovoltaic (PV) panels on the vehicle helps decrease the reliance on vehicle batteries. Based on phase winding characteristics of SRMs, a tri-port converter is proposed in this paper to control the energy flow between the PV panel, battery and SRM. Six operating modes are presented, four of which are developed for driving and two for standstill on-board charging. In the driving modes, the energy decoupling control for maximum power point tracking (MPPT) of the PV panel and speed control of the SRM are realized. In the standstill charging modes, a grid-connected charging topology is developed without a need for external hardware. When the PV panel directly charges the battery, a multi-section charging control strategy is used to optimize energy utilization. Simulation results based on Matlab/Simulink and experiments prove the effectiveness of the proposed tri-port converter, which has potential economic implications to improve the market acceptance of EVs.

Central-tapped node linked modular fault-tolerance topology for SRM applications

Electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs) can reduce greenhouse gas emissions while switched reluctance motor (SRM) is one of the promising motor for such applications. This paper presents a novel SRM fault-diagnosis and fault-tolerance operation solution. Based on the traditional asymmetric half-bridge topology for the SRM driving, the central tapped winding of the SRM in modular half-bridge configuration are introduced to provide fault-diagnosis and fault-tolerance functions, which are set idle in normal conditions. The fault diagnosis can be achieved by detecting the characteristic of the excitation and demagnetization currents. An SRM fault-tolerance operation strategy is also realized by the proposed topology, which compensates for the missing phase torque under the open-circuit fault, and reduces the unbalanced phase current under the short-circuit fault due to the uncontrolled faulty phase. Furthermore, the current sensor placement strategy is also discussed to give two placement methods for low cost or modular structure. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 750-W SRM validate the effectiveness of the proposed strategy, which may have significant implications and improve the reliability of EVs/HEVs.

Flexible fault-tolerant topology for switched reluctance motor drives

Switched reluctance motor (SRM) drives are one competitive technology for traction motor drives. This paper proposes a novel and flexible SRM fault-tolerant topology with fault diagnosis, fault tolerance, and advanced control functions. The converter is composed of a single-phase bridge and a relay network, based on the traditional asymmetrical half-bridge driving topology. When the SRM-driving system is subjected to fault conditions including open-circuit and short-circuit faults, the proposed converter starts its fault-diagnosis procedure to locate the fault. Based on the relay network, the faulty part can be bypassed by the single-phase bridge arm, while the single-phase bridge arm and the healthy part of the converter can form a fault-tolerant topology to sustain the driving operation. A fault-tolerant control strategy is developed to decrease the influence of the fault. Furthermore, the proposed fault-tolerant strategy can be applied to three-phase 12/8 SRM and four-phase 8/6 SRM. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a three-phase 12/8 SRM and a four-phase 8/6 SRM validate the effectiveness of the proposed strategy, which may have significant economic implications in traction drive systems.

Developing a new SVPWM control strategy for open-winding brushless doubly fed reluctance generators

In this paper, a new open-winding control strategy is proposed for a brushless doubly fed reluctance generator (BDFRG) used for stand-alone wind turbine or ship generators. The BDFRG is characterized with two windings on the stator: a power winding and a control winding. The control winding is fed with dual two-level three-phase converters, and a vector control scheme based on space vector pulsewidth modulation is designed. Compared with traditional three-level inverter systems, the dc-link voltage and the voltage rating of power devices in the proposed system are reduced by 50% while still greatly improving the reliability, redundancy, and fault tolerance of the proposed system by increasing the switching modes. Its performance is evaluated by simulation in MATLAB/Simulink and an experimental study on a 42-kW prototype machine.

Split converter-fed SRM drive for flexible charging in EV/HEV applications

Electric vehicles (EVs) and hybrid EVs are the way forward for green transportation and for establishing low-carbon economy. This paper presents a split converter-fed four-phase switched reluctance motor (SRM) drive to realize flexible integrated charging functions (dc and ac sources). The machine is featured with a central-tapped winding node, eight stator slots, and six rotor poles (8/6). In the driving mode, the developed topology has the same characteristics as the traditional asymmetric bridge topology but better fault tolerance. The proposed system supports battery energy balance and on-board dc and ac charging. When connecting with an ac power grid, the proposed topology has a merit of the multilevel converter; the charging current control can be achieved by the improved hysteresis control. The energy flow between the two batteries is balanced by the hysteresis control based on their state-of-charge conditions. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 150-W prototype SRM validate the effectiveness of the proposed technologies, which may provide a solution to EV charging issues associated with significant infrastructure requirements.

New SR drive with integrated charging capacity for plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs)

Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) provide much promise in reducing greenhouse gas emissions and, thus, are a focal point of research and development. Existing on-board charging capacity is effective but requires the use of several power conversion devices and power converters, which reduce reliability and cost efficiency. This paper presents a novel three-phase switched reluctance (SR) motor drive with integrated charging functions (including internal combustion engine and grid charging). The electrical energy flow within the drivetrain is controlled by a power electronic converter with less power switching devices and magnetic devices. It allows the desired energy conversion between the engine generator, the battery, and the SR motor under different operation modes. Battery-charging techniques are developed to operate under both motor-driving mode and standstill-charging mode. During the magnetization mode, the machine's phase windings are energized by the dc-link voltage. The power converter and the machine phase windings are controlled with a three-phase relay to enable the use of the ac-dc rectifier. The power converter can work as a buck-boost-type or a buck-type dc-dc converter for charging the battery. Simulation results in MATLAB/Simulink and experiments on a 3-kW SR motor validate the effectiveness of the proposed technologies, which may have significant economic implications and improve the PHEVs' market acceptance.

New integrated multilevel converter for switched reluctance motor drives in plug-in hybrid electric vehicles with flexible energy conversion

This paper presents an integrated multilevel converter of switched reluctance motors (SRMs) fed by a modular front-end circuit for plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) applications. Several operating modes can be achieved by changing the on-off states of the switches in the front-end circuit. In generator driving mode, the battery bank is employed to elevate the phase voltage for fast excitation and demagnetization. In battery driving mode, the converter is reconfigured as a four-level converter, and the capacitor is used as an additional charge capacitor to produce multilevel voltage outputs, which enhances the torque capability. The operating modes of the proposed drive are explained and the phase current and voltage are analyzed in details. The battery charging is naturally achieved by the demagnetization current in motoring mode and by the regenerative current in braking mode. Moreover, the battery can be charged by the external AC source or generator through the proposed converter when the vehicle is in standstill condition. The SRM-based PHEV can operate at different speeds by coordinating the power flow between the generator and battery. Simulation in MATLAB/Simulink and experiments on a three-phase 12/8 SRM confirm the effectiveness of the proposed converter topology.