Progetto concettuale di un piede protesico a basso costo ed elevate prestazioni

Nel seguente elaborato verrà presentato il lavoro volto alla progettazione di una protesi di piede realizzata con materiale composito in fibra di carbonio riciclato. Per il suo conseguimento sono state prese in considerazione due scelte progettuali che permetteranno una futura realizzazione semplice ed economica. Una volta determinate le scelte progettuali, si sono generati dei semplici modelli di primo approccio, per i quali sono stati previsti modellazione CAD e simulazioni di opportuni modelli agli elementi finiti. Su quest’ultimi sono stati applicati i carichi e i vincoli secondo la norma UNI ISO 22675 e sono state eseguite diverse simulazioni al variare di alcuni parametri geometrici e del numero e orientamenti degli strati componenti le lamine. Dalle simulazioni sono stati ricavati i valori di tensione, ai quali è stato applicato il criterio di resistenza strutturale per i materiali compositi di Tsai – Hill. Dal confronto di tutti i risultati, si sono determinati i parametri di progetto ottimali per ognuna delle due varianti progettuali proposte. Sulla base dei risultati ottenuti sono stati realizzati nuovi modelli CAD più dettagliati, per i quali è stata condotta l’analisi FEM e la verifica del criterio strutturale come per i modelli di primo approccio. I modelli cosi definiti possono essere la base di partenza per la definizione del progetto costruttivo del prototipo di una o entrambe le varianti progettuali.

Simulazione numerica di incollaggi double-strap joint

Esposizione di comportamenti e caratteristiche principali dei giunti incollati. Il metodo agli elementi finiti è stato studiato in modo da realizzare un modello accurato di un sistema fisico. L’analisi agli elementi finiti è stata utilizzata per effettuare una simulazione numerica di un double-strap joint in alluminio e in CFRP sotto un carico di trazione assiale. L’effetto di una modifica della distanza tra le lastre è stato studiato e i risultati confrontati.

Sviluppo di un sensore non invasivo per misure di conducibilita su soluzioni saline con possibili applicazioni nel campo dell'emodialisi.

L'obiettivo della tesi è stato quello di sviluppare un sensore che, applicato su una linea ematica, fosse in grado di rilevare le variazioni di conducibilità del liquido posto all'interno della linea stessa. La conducibilità è una grandezza correlata alla concentrazione ionica di un liquido ed è molto importante nel campo dialitico poiché da essa si può ottenere una stima della quantità di elettroliti presente nel sangue. Per lo studio in esame è stata eseguita dapprima una modellazione agli elementi finiti per stabilire una configurazione adeguata del sistema sia dal punto di vista geometrico che da quello elettrico e successivamente sono stati realizzati modelli sperimentali. Per le prove sperimentali si è fatto uso di soluzioni saline poste all'interno di una linea ematica sulla quale sono state eseguite misure tramite un analizzatore di impedenza. È stata quindi studiata la relazione tra l'impedenza misurata ed il valore noto di conducibilità delle soluzioni con la quale è stato dimostrato che il sensore sviluppato è un valido strumento di indagine poiché è riuscito a rilevare le variazioni di conducibilità delle soluzioni in esame con un alto grado di sensibilità.

Affidabilità dell'isolamento di spira di motori alimentati da convertitori di potenza: Valutazione dello stress e verifiche sperimentali

Il testo propone uno studio dell'affidabiltà dell'isolamento di spira per macchine elettriche rotanti, aventi sistema isolante di tipo II, alimentate mediante convertitori di potenza. In particolare vengono descritte le prove di vita accelerate svolte al variare del tempo di salita della tensione, le simulazione effettuate con il metodo degli elementi finiti ed un metodo analitico utilizzato per uniformare lo stress all'interno degli avvolgimenti di statore.

Modellazione idrogeologica di un acquifero fratturato

Nel lavoro di Tesi ci si è occupati dello studio delle sorgenti appenniniche di Mulino delle Vene, site a Carpineti, in Provincia di Reggio Emilia, e della modellazione dei deflussi sotterranei nell’acquifero fratturato che le alimenta. In particolare, sono state eseguite delle analisi idrologiche con l'obiettivo di quantificare la variazione di risorsa idrica nell'area in risposta al trend di variazione dell'uso del suolo. Successivamente si sono caratterizzate le sorgenti di Mulino delle Vene e l'acquifero che le alimeta per mezzo di analisi idrogeologiche. Infine, si è realizzato un modello numerico agli elementi finiti in grado di simulare i deflussi sotterranei nel periodo di scarico delle sorgenti e in assenza di ricarica.

Analisi numerica e sperimentale del comportamento a compressione di materiali compositi

L’obbiettivo di questa tesi è ottenere un modello agli elementi finiti che simuli la prova a compressione su un campione di materiale composito a matrice polimerica rinforzata con fibre di carbonio unidirezionali (UD), mediante l’utilizzo di una attrezzatura denominata Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture. Il programma utilizzato per realizzare il modello agli elementi finiti è Abaqus della Simulia. Il materiale oggetto dello studio è un prepreg UD di interesse nel settore automobilistico, e fa seguito ad una campagna di prove sperimentali (caratterizzazione a compressione) svolta nei laboratori ENEA di Faenza, dove opera l’Unità Tecnica Tecnologie dei Materiali Faenza (UTTMATF).

Simulazione FEM e validazione sperimentale del processo di friction welding

Nel seguente elaborato si propone lo sviluppo di un modello agli elementi finiti (FEM) del processo di friction welding del quale, attraverso i dati rilevati da prove sperimentali di validazione termica, vengono valutati i parametri ottimali di simulazione. Ai risultati così ottenuti vengono applicati anche algoritmi per la valutazione della microstruttura e della qualità della saldatura, sviluppati originariamente per l'analisi dell'estrusione: in entrambi i casi a seguito del confronto con le analisi metallografiche dei provini è stato possibile validare ulteriormente il modello creato.

Structural analysis of a UAV wing through image processing and FEM

Analisi strutturale dell’ala di un UAV (velivolo senza pilota a bordo), sviluppata usando varie metodologie: misurazioni sperimentali statiche e dinamiche, e simulazioni numeriche con l’utilizzo di programmi agli elementi finiti. L’analisi statica è stata a sua volta portata avanti seguendo due differenti metodi: la classica e diretta determinazione degli spostamenti mediante l’utilizzo di un catetometro e un metodo visivo, basato sull’elaborazione di immagini e sviluppato appositamente a tale scopo in ambiente Matlab. Oltre a ciò è stata svolta anche una analisi FEM volta a valutare l’errore che si ottiene affrontando il problema con uno studio numerico. Su tale modello FEM è stata svolta anche una analisi di tipo dinamico con lo scopo di confrontare tali dati con i dati derivanti da un test dinamico sperimentale per ottenere informazioni utili per una seguente possibile analisi aeroelastica.

Neural network modelling of the wave-structure interaction processes

This thesis presents a new Artificial Neural Network (ANN) able to predict at once the main parameters representative of the wave-structure interaction processes, i.e. the wave overtopping discharge, the wave transmission coefficient and the wave reflection coefficient. The new ANN has been specifically developed in order to provide managers and scientists with a tool that can be efficiently used for design purposes. The development of this ANN started with the preparation of a new extended and homogeneous database that collects all the available tests reporting at least one of the three parameters, for a total amount of 16’165 data. The variety of structure types and wave attack conditions in the database includes smooth, rock and armour unit slopes, berm breakwaters, vertical walls, low crested structures, oblique wave attacks. Some of the existing ANNs were compared and improved, leading to the selection of a final ANN, whose architecture was optimized through an in-depth sensitivity analysis to the training parameters of the ANN. Each of the selected 15 input parameters represents a physical aspect of the wave-structure interaction process, describing the wave attack (wave steepness and obliquity, breaking and shoaling factors), the structure geometry (submergence, straight or non-straight slope, with or without berm or toe, presence or not of a crown wall), or the structure type (smooth or covered by an armour layer, with permeable or impermeable core). The advanced ANN here proposed provides accurate predictions for all the three parameters, and demonstrates to overcome the limits imposed by the traditional formulae and approach adopted so far by some of the existing ANNs. The possibility to adopt just one model to obtain a handy and accurate evaluation of the overall performance of a coastal or harbor structure represents the most important and exportable result of the work.

Modello numerico di un argine maestro del fiume Po per l'individuazione dei possibili meccanismi di collasso

Il lavoro di tesi eseguito comprende la ricerca sulle problematiche arginali e le tipologie di intervento per la protezione idraulica del territorio. Convenzione n.37/2010 tra AdBPo e Università di Bologna. Campagna di indagini eseguite e caratterizzazione del suolo. Caratterizzazione geologica. Caratterizzazione del modello geotecnico della “sez.6_GU”, che corrisponde alla sezione “S38C” del catasto delle arginature maestre, tramite l’utilizzo delle funzioni di Excel, ed elaborazione dei risultati delle prove con la determinazione dei valori statistici dei vari parametri geotecnici, del livello di falda e delle proprietà fisico-meccaniche dei terreni. Risultati delle prove CPTU U16BR, U17BR e U18BR. Creazione del modello utilizzando dei codici agli elementi finiti Plaxis e GeoStudio per la verifica di stabilità dell’argine soggetto ad una portata di piena con tempo di ritorno Tr pari a 200 anni. Verifiche di stabilità: analisi e risultati della sezione completa per la verifica della stabilità globale; della sezione ridotta per potersi concentrare sul sistema argine-substrato di fondazione (verifica locåale in assenza di area golenale); della sezione ridotta con falda a piano campagna (per individuare se la rottura avviene per il moto di filtrazione oppure per la deformazione del modello soggetto ai carichi agenti); sezione con substrato di fondazione ridotto (per verificare la presenza di eventuali fenomeni di sifonamento modellabili nei software).

Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Simulazioni di impatti su componenti in materiale composito

Il seguente elaborato costituisce un approfondimento nel campo dei materiali compositi e della loro modellizzazione nel software, incominciato in seno all'attività curriculare di tirocinio da me svolta presso i laboratori universitari. Lo scopo è effettuare analisi numeriche su componenti e provini in materiale composito al fine di osservare, e conseguentemente valutare, gli effetti che diverse tipologie di carico, e in particolare diverse tipologie di impatti, provocano. Il mezzo con il quale ho potuto raggiungere tale obiettivo è stato Abaqus, un software di simulazione largamente utilizzato da aziende ed enti che operano nel settore aerospaziale, dell'automotive, ecc. Il funzionamento di Abaqus si basa sull'impiego di modelli agli elementi finiti, pertanto parte dell'introduzione è dedicata all'illustrazione della teoria degli elementi finiti. Inoltre sempre nella parte introduttiva è riportata una breve descrizione dei materiali compositi con un'analisi delle loro principali caratteristiche. Infatti la loro particolare natura rende difficoltoso creare nella pratica modelli funzionanti, e pertanto, al fine di ottenere risultati il più possibile coerenti alla realtà, è necessario avere una perfetta conoscenza delle loro proprietà.

Analisi del processo di estrusione di leghe leggere con il software Qform: validazione e previsione della microstruttura

Il gruppo di tecnologie e sistemi di lavorazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale, D.I.N, dell’Università di Bologna ha compiuto in collaborazione con il Dipartimento IUL della TU di Dortmund, negli ultimi anni, due campagne sperimentali effettuando processi di estrusione di leghe di alluminio. Nella prima, utilizzando leghe AA6060 e il metodo della visioplasticità, sono stati raccolti dati volti a ricavare le condizioni di attrito di tali processi, tramite confronto con valori ottenuti in simulazioni agli elementi finiti. Nella seconda, utilizzando invece una lega AA6082, è stata valutata la microstruttura al fine di permettere, tramite programmi agli elementi finiti, la determinazione di correlazioni fra variabili che prevedano la dimensione della microstruttura della lega stessa a seguito di lavorazioni per deformazione plastica. Basandosi quindi su queste prove sperimentali e utilizzando il software “QuantorForm versione 7.2.4”, è stato svolto il lavoro di tesi finalizzato a conseguire i seguenti obiettivi: • individuare il modello di attrito che si sviluppa nei processi di estrusione analizzati per la lega di alluminio AA6060; • determinare i parametri di settaggio ottimale del software, confrontando i risultati ottenuti nelle simulazioni con quelli sperimentali; • determinare le curve che descrivono la dimensione di un grano cristallino di AA6082 in funzione della deformazione; • implementare come subroutine in Qform, tramite l’utilizzo del linguaggio “Lua”, il modello di microstruttura ottenuto.

Ottimizzazione di metodi numerici e realizzazione di un setup per l'imaging di colture cellulari 3D con tomografia ad impedenza elettrica

Il presente lavoro di tesi presenta la progettazione, realizzazione e applicazione di un setup sperimentale miniaturizzato per la ricostruzione di immagine, con tecnica di Tomografia ad Impedenza Elettrica (EIT). Il lavoro descritto nel presente elaborato costituisce uno studio di fattibilità preliminare per ricostruire la posizione di piccole porzioni di tessuto (ordine di qualche millimetro) o aggregati cellulari dentro uno scaffold in colture tissutali o cellulari 3D. Il setup disegnato incorpora 8 elettrodi verticali disposti alla periferia di una camera di misura circolare del diametro di 10 mm. Il metodo di analisi EIT è stato svolto utilizzando i) elettrodi conduttivi per tutta l’altezza della camera (usati nel modello EIT bidimensionale e quasi-bidimensionale) e ii) elettrodi per deep brain stimulation (conduttivi esclusivamente su un ridotto volume in punta e posti a tre diverse altezze: alto, centro e basso) usati nel modello EIT tridimensionale. Il metodo ad elementi finiti (FEM) è stato utilizzato per la soluzione sia del problema diretto che del problema inverso, con la ricostruzione della mappa di distribuzione della conduttività entro la camera di misura. Gli esperimenti svolti hanno permesso di ricostruire la mappa di distribuzione di conduttività relativa a campioni dell’ordine del millimetro di diametro. Tali dimensioni sono compatibili con quelle dei campioni oggetto di studio in ingegneria tissutale e, anche, con quelle tipiche dei sistemi organ-on-a-chip. Il metodo EIT sviluppato, il prototipo del setup realizzato e la trattazione statistica dei dati sono attualmente in fase di implementazione in collaborazione con il gruppo del Professor David Holder, Dept. Medical Physics and Bioengineering, University College London (UCL), United Kingdom.

Caratterizzazione biomeccanica di vertebre umane

Metastasi ossee, osteoporosi e traumi sono le cause più comuni di fratture vertebrali che possono portare a conseguenze severe. In particolare, le fratture determinate da patologie e dall’invecchiamento colpiscono soprattutto il tratto toraco-lombare che è quello che sopporta la maggior parte dei carichi. Inoltre, le attività quotidiane inducono dei complessi scenari di carico sulla colonna vertebrale. Pertanto la misura di carichi in vivo ha un grande interesse clinico e biomeccanico dal momento che può essere necessaria per studiare il mal di schiena, le fratture vertebrali, il progetto di impianti, ecc. Tuttavia, le misure in vivo hanno il limite di essere invasive. Invece, le prove sperimentali hanno il vantaggio di essere non invasive, anche se presentano alcune limitazioni intrinseche quali la difficoltà di misurare le tensioni o le deformazioni che non siano sulla superficie delle vertebre e l’aumento della complessità e del costo delle prove nel momento in cui si vogliano fare misurazioni addizionali o sperimentare condizioni diverse. In alternativa, il comportamento meccanico delle strutture ossee può essere investigato con modelli numerici agli elementi finiti validati da prove sperimentali. È in questo contesto che va inserito il presente lavoro. Questa tesi ha lo scopo di cominciare un progetto sulla caratterizzazione biomeccanica di vertebre toraciche e lombari di soggetti affetti da osteoporosi da cui si ricaveranno i dati necessari per validare un modello agli elementi finiti. In particolare, durante i test meccanici si vuole riprodurre la tipica fattura vertebrale causata dall’osteoporosi, l’anterior wedge fracture. Le prove meccaniche sono state eseguite nel Laboratorio di Biomeccanica del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna, mentre il modello agli elementi finiti sarà sviluppato dal Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. Una volta validato, il modello sarà utilizzato per fare simulazioni di rottura in vivo.