Bioengineering of exercise: biomechanical and metabolic aspects

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

Studio, verifica ed ottimizzazione di una macchina automatica opercolatrice

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

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

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

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

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

Valutazione dell'investimento di un impianto fotovoltaico

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

Studio e sviluppo progettuale di un sistema di cambio utensile per una macchina CNC

La redazione di questo trattato si basa sull’attività di progettazione e realizzazione di un sistema di cambio utensile in una macchina CNC svolta presso lo studio Phizero di Castelbolognese. Le fasi di svolgimento del progetto sono sintetizzabili in: · Studio della filosofia aziendale di progettazione e dei software utilizzati · Studio del settore “macchine utensili” e delle caratteristiche meccaniche e di affidabilità che devono possedere i loro componenti · Analisi delle richieste esplicite e implicite del cliente per ricavare quali siano le caratteristiche principali che deve avere il dispositivo · Stesura di varie bozze in 3D ricercando le migliori soluzioni costruttive tramite matrice morfologica e in accordo con il cliente · Progetto di dettaglio e messa in tavola dei disegni costruttivi per la realizzazione del sistema di cambio utensile.

Sviluppo di un sistema di monitoraggio dello stato di deformazione di un albero da imbarcazione in materiale composito tramite Reticoli di Bragg in fibra ottica.

Attraverso svariate prove tecnologiche, pratiche ed ottiche, si è posta la base per lo sviluppo di un sistema di misurazione delle deformazioni su un albero navale in materiale composito attraverso sensori ottici. L'attività ha messo in luce diverse problematiche relative all'inglobamento delle fibre ottiche nel materiale composito e molte altre attinenti la tecnologia basata su Reticoli di Bragg fotoincisi sulla fibra ottica.

Studio e ottimizzazione del sistema di avviamento di un aerogeneratore ad asse verticale

Progetto di un aerogeneratore ad asse verticale in grado di erogare una potenza di circa 100 kW con un vento di 16 m/s con l’obiettivo fondamentale di risolvere i problemi di avviamento comuni per le turbine ad asse verticale (VAWT), che affliggono in particolare le turbine Darrieus. Inoltre la turbina eolica in questione non deve necessitare di fondazione nè di trasporti eccezionali per l’installazione, permettendo l’abbattimento dei costi iniziali. Le vele sono state sostituite da profili alari, in grado di generare non solo resistenza ma anche portanza.

Studio e ottimizzazione della struttura di un aerogeneratore ad asse verticale senza fondamenta

Sviluppo di un aerogeneratore ad asse verticale a pale, che fornisca una potenza di 100 KW utilizzando un generatore senza interposizione di moltiplicatore di giri per la produzione di energia elettrica. Si vuole progettare una macchina che possa essere montata sul luogo di esercizio, avendo quindi tutta la componentistica trasportabile e senza richiedere l’uso di trasporti eccezionali per evitare di avere costi aggiuntivi che con semplici accorgimenti possono essere evitati. La macchina dovrà per quanto possibile evitare la presenza di fondamenta che incrementino i costi di realizzazione e pregiudichino il sito urbanizzandolo fortemente.

Sul comportamento dinamico di macchine fresatrici in alcune condizioni critiche di lavorazione

Questa tesi affronta lo studio di una tipologia di vibrazione autoeccitata, nota come chatter, che si manifesta nei processi di lavorazione ad asportazione di truciolo ed in particolare nelle lavorazioni di fresatura. La tesi discute inoltre lo sviluppo di una tecnica di monitoraggio e diagnostica del chatter basato sul rilievo di vibrazioni. Il fenomeno del chatter è caratterizzato da violente oscillazioni tra utensile e pezzo in lavorazione ed elevate emissioni acustiche. Il chatter, se non controllato, causa uno scadimento qualitativo della finitura superficiale e delle tolleranze dimensionali del lavorato, una riduzione della vita degli utensili e dei componenti della macchina. Questa vibrazione affligge negativamente la produttività e la qualità del processo di lavorazione e pregiudica l’interazione uomo-macchina-ambiente. Per una data combinazione di macchina, utensile e pezzo lavorato, i fattori che controllano la velocità di asportazione del materiale sono gli stessi che controllano l’insorgenza del chatter: la velocità di rotazione del mandrino, la profondità assiale di passata e la velocità di avanzamento dell’utensile. Per studiare il fenomeno di chatter, con l’obbiettivo di individuare possibili soluzioni per limitarne o controllarne l’insorgenza, vengono proposti in questa tesi alcuni modelli del processo di fresatura. Tali modelli comprendono il modello viscoelastico della macchina fresatrice e il modello delle azioni di taglio. Per le azioni di taglio è stato utilizzato un modello presente in letteratura, mentre per la macchina fresatrice sono stati utilizzato modelli a parametri concentrati e modelli modali analitico-sperimentali. Questi ultimi sono stati ottenuti accoppiando un modello modale sperimentale del telaio, completo di mandrino, della macchina fresatrice con un modello analitico, basato sulla teoria delle travi, dell’utensile. Le equazioni del moto, associate al processo di fresatura, risultano essere equazioni differenziali con ritardo a coefficienti periodici o PDDE (Periodic Delay Diefferential Equations). È stata implementata una procedura numerica per mappare, nello spazio dei parametri di taglio, la stabilità e le caratteristiche spettrali (frequenze caratteristiche della vibrazione di chatter) delle equazioni del moto associate ai modelli del processo di fresatura proposti. Per testare i modelli e le procedure numeriche proposte, una macchina fresatrice CNC 4 assi, di proprietà del Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche Nucleari e Metallurgiche (DIEM) dell’Università di Bologna, è stata strumentata con accelerometri, con una tavola dinamometrica per la misura delle forze di taglio e con un adeguato sistema di acquisizione. Eseguendo varie prove di lavorazione sono stati identificati i coefficienti di pressione di taglio contenuti nel modello delle forze di taglio. Sono stati condotti, a macchina ferma, rilievi di FRFs (Funzioni Risposta in Frequenza) per identificare, tramite tecniche di analisi modale sperimentale, i modelli del solo telaio e della macchina fresatrice completa di utensile. I segnali acquisiti durante le numerose prove di lavorazione eseguite, al variare dei parametri di taglio, sono stati analizzati per valutare la stabilità di ciascun punto di lavoro e le caratteristiche spettrali della vibrazione associata. Questi risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti applicando la procedura numerica proposta ai diversi modelli di macchina fresatrice implementati. Sono state individuate le criticità della procedura di modellazione delle macchine fresatrici a parametri concentrati, proposta in letteratura, che portano a previsioni erronee sulla stabilità delle lavorazioni. È stato mostrato come tali criticità vengano solo in parte superate con l’utilizzo dei modelli modali analitico-sperimentali proposti. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato proposto un sistema automatico, basato su misure accelerometriche, per diagnosticare, in tempo reale, l’insorgenza del chatter durante una lavorazione. È stato realizzato un prototipo di tale sistema di diagnostica il cui funzionamento è stato provato mediante prove di lavorazione eseguite su due diverse macchine fresatrici CNC.