Design and development of new pressure sensors for aerodynamic applications

This artwork reports on two different projects that were carried out during the three years of Doctor of the Philosophy course. In the first years a project regarding Capacitive Pressure Sensors Array for Aerodynamic Applications was developed in the Applied Aerodynamic research team of the Second Faculty of Engineering, University of Bologna, Forlì, Italy, and in collaboration with the ARCES laboratories of the same university. Capacitive pressure sensors were designed and fabricated, investigating theoretically and experimentally the sensor’s mechanical and electrical behaviours by means of finite elements method simulations and by means of wind tunnel tests. During the design phase, the sensor figures of merit are considered and evaluated for specific aerodynamic applications. The aim of this work is the production of low cost MEMS-alternative devices suitable for a sensor network to be implemented in air data system. The last two year was dedicated to a project regarding Wireless Pressure Sensor Network for Nautical Applications. Aim of the developed sensor network is to sense the weak pressure field acting on the sail plan of a full batten sail by means of instrumented battens, providing a real time differential pressure map over the entire sail surface. The wireless sensor network and the sensing unit were designed, fabricated and tested in the faculty laboratories. A static non-linear coupled mechanical-electrostatic simulation, has been developed to predict the pressure versus capacitance static characteristic suitable for the transduction process and to tune the geometry of the transducer to reach the required resolution, sensitivity and time response in the appropriate full scale pressure input A time dependent viscoelastic error model has been inferred and developed by means of experimental data in order to model, predict and reduce the inaccuracy bound due to the viscolelastic phenomena affecting the Mylar® polyester film used for the sensor diaphragm. The development of the two above mentioned subjects are strictly related but presently separately in this artwork.

Materiali a memoria di forma: caratterizzazione e applicazioni nel campo dei beni culturali

Questo lavoro di tesi nasce da un progetto di ricerca promosso nel 2001 dal Prof. Leonardo Seccia (Seconda Facoltà di Ingegneria, sede di Forlì, e C.I.R.A.M., Università di Bologna), dal Prof. Nicola Santopuoli (Facoltà di Architettura Valle Giulia, Sapienza Università di Roma), dal Prof. Ingo Muller e dal Dott. André Musolff (Technical University Berlin, Facultat III, Thermodynamics). Tale progetto ha avuto come obiettivo lo studio, la progettazione e la realizzazione di un dispositivo di ancoraggio in lega a memoria di forma per il restauro di affreschi e mosaici parietali, che presentino distacchi più o meno evidenti fra gli strati di intonaco di supporto, proponendosi come mezzo efficace per la salvaguardia strutturale di tali zone variamente ammalorate. In particolare, è stata programmata una serie di prove di laboratorio per caratterizzare in modo preciso il comportamento del materiale prescelto, al fine di realizzare un prototipo rispondente alle caratteristiche di progetto ed anche per implementare un modello numerico sufficientemente realistico. A questo proposito, è stato anche approfondito il problema della scelta del modello costitutivo più adeguato. Successivamente, i risultati ottenuti sono stati impiegati nella progettazione e realizzazione di nuovi dispositivi in lega a memoria di forma da impiegare nel campo dei beni culturali, fra cui sistemi reversibili per il ricongiungimento di parti fratturate e sistemi di movimentazione intelligenti sia per lastre di protezione di superfici affrescate, sia per finestre da inserire in contesti museali per il controllo del microclima.

Modellazione e simulazione di sistemi meccanici ad elevato numero di gradi di libertà mediante metodi non convenzionali e sistemi CAD

Recent developments in piston engine technology have increased performance in a very significant way. Diesel turbocharged/turbo compound engines, fuelled by jet fuels, have great performances. The focal point of this thesis is the transformation of the FIAT 1900 jtd diesel common rail engine for the installation on general aviation aircrafts like the CESSNA 172. All considerations about the diesel engine are supported by the studies that have taken place in the laboratories of the II Faculty of Engineering in Forlì. This work, mostly experimental, concerns the transformation of the automotive FIAT 1900 jtd – 4 cylinders – turbocharged – diesel common rail into an aircraft engine. The design philosophy of the aluminium alloy basement of the spark ignition engine have been transferred to the diesel version while the pistons and the head of the FIAT 1900 jtd are kept in the aircraft engine. Different solutions have been examined in this work. A first V 90° cylinders version that can develop up to 300 CV and whose weight is 30 kg, without auxiliaries and turbocharging group. The second version is a development of e original version of the diesel 1900 cc engine with an optimized crankshaft, that employ a special steel, 300M, and that is verified for the aircraft requirements. Another version with an augmented stroke and with a total displacement of 2500 cc has been examined; the result is a 30% engine heavier. The last version proposed is a 1600 cc diesel engine that work at 5000 rpm, with a reduced stroke and capable of more than 200 CV; it was inspired to the Yamaha R1 motorcycle engine. The diesel aircraft engine design keeps the bore of 82 mm, while the stroke is reduced to 64.6 mm, so the engine size is reduced along with weight. The basement weight, in GD AlSi 9 MgMn alloy, is 8,5 kg. Crankshaft, rods and accessories have been redesigned to comply to aircraft standards. The result is that the overall size is increased of only the 8% when referred to the Yamaha engine spark ignition version, while the basement weight increases of 53 %, even if the bore of the diesel version is 11% lager. The original FIAT 1900 jtd piston has been slightly modified with the combustion chamber reworked to the compression ratio of 15:1. The material adopted for the piston is the aluminium alloy A390.0-T5 commonly used in the automotive field. The piston weight is 0,5 kg for the diesel engine. The crankshaft is verified to torsional vibrations according to the Lloyd register of shipping requirements. The 300M special steel crankshaft total weight is of 14,5 kg. The result reached is a very small and light engine that may be certified for general aviation: the engine weight, without the supercharger, air inlet assembly, auxiliary generators and high pressure body, is 44,7 kg and the total engine weight, with enlightened HP pump body and the titanium alloy turbocharger is less than 100 kg, the total displacement is 1365 cm3 and the estimated output power is 220 CV. The direct conversion of automotive piston engine to aircrafts pays too huge weight penalties. In fact the main aircraft requirement is to optimize the power to weight ratio in order to obtain compact and fast engines for aeronautical use: this 1600 common rail diesel engine version demonstrates that these results can be reached.

Valutazione delle performance degli scalpelli da perforazione: studi teorici, analisi dati e valutazioni tecnico-economiche

The study is aimed to calculate an innovative numerical index for bit performance evaluation called Bit Index (BI), applied on a new type of bit database named Formation Drillability Catalogue (FDC). A dedicated research programme (developed by Eni E&P and the University of Bologna) studied a drilling model for bit performance evaluation named BI, derived from data recorded while drilling (bit records, master log, wireline log, etc.) and dull bit evaluation. This index is calculated with data collected inside the FDC, a novel classification of Italian formations aimed to the geotechnical and geomechanical characterization and subdivisions of the formations, called Minimum Interval (MI). FDC was conceived and prepared at Eni E&P Div., and contains a large number of significant drilling parameters. Five wells have been identified inside the FDC and have been tested for bit performance evaluation. The values of BI are calculated for each bit run and are compared with the values of the cost per metre. The case study analyzes bits of the same type, diameters and run in the same formation. The BI methodology implemented on MI classification of FDC can improve consistently the bit performances evaluation, and it helps to identify the best performer bits. Moreover, FDC turned out to be functional to BI, since it discloses and organizes formation details that are not easily detectable or usable from bit records or master logs, allowing for targeted bit performance evaluations. At this stage of development, the BI methodology proved to be economic and reliable. The quality of bit performance analysis obtained with BI seems also more effective than the traditional “quick look” analysis, performed on bit records, or on the pure cost per metre evaluation.

Marinetti ultimo mitografo

La ricognizione delle opere composte da Filippo Tommaso Marinetti tra il 1909 e il 1912 è sostenuta da una tesi paradossale: il futurismo di Marinetti non sarebbe un'espressione della modernità, bensì una reazione anti-moderna, che dietro a una superficiale ed entusiastica adesione ad alcune parole d'ordine della seconda rivoluzione industriale nasconderebbe un pessimismo di fondo nei confronti dell'uomo e della storia. In questo senso il futurismo diventa un emblema del ritardo culturale e del gattopardismo italiano, e anticipa l’analoga operazione svolta in politica da Mussolini: dietro un’adesione formale ad alcune istanze della modernità, la preservazione dello Status Quo. Marinetti è descritto come un corpo estraneo rispetto alla cultura scientifica del Novecento: un futurista senza futuro (rarissime in Marinetti sono le proiezioni fantascientifiche). Questo aspetto è particolarmente evidente nelle opere prodotte del triennio 1908-1911, che non solo sono molto diverse dalle opere futuriste successive, ma per alcuni aspetti rappresentano una vera e propria antitesi di ciò che diventerà il futurismo letterario a partire dal 1912, con la pubblicazione del Manifesto tecnico della letteratura futurista e l'invenzione delle parole in libertà. Nelle opere precedenti, a un sostanziale disinteresse per il progressismo tecnologico corrispondeva un'attenzione ossessiva per la corporeità e un ricorso continuo all'allegoria, con effetti particolarmente grotteschi (soprattutto nel romanzo Mafarka le futuriste) nei quali si rilevano tracce di una concezione del mondo di sapore ancora medioevo-rinascimentale. Questa componente regressiva del futurismo marinettiano viene platealmente abbandonata a partire dal 1912, con Zang Tumb Tumb, salvo riaffiorare ciclicamente, come una corrente sotterranea, in altre fasi della sua carriera: nel 1922, ad esempio, con la pubblicazione de Gli indomabili (un’altra opera allegorica, ricca di reminiscenze letterarie). Quella del 1912 è una vera e propria frattura, che nel primo capitolo è indagata sia da un punto di vista storico (attraverso la documentazione epistolare e giornalistica vengono portate alla luce le tensioni che portarono gran parte dei poeti futuristi ad abbandonare il movimento proprio in quell'anno) che da un punto di vista linguistico: sono sottolineate le differenze sostanziali tra la produzione parolibera e quella precedente, e si arrischia anche una spiegazione psicologica della brusca svolta impressa da Marinetti al suo movimento. Nel secondo capitolo viene proposta un'analisi formale e contenutistica della ‘funzione grottesca’ nelle opere di Marinetti. Nel terzo capitolo un'analisi comparata delle incarnazioni della macchine ritratte nelle opere di Marinetti ci svela che quasi sempre in questo autore la macchina è associata al pensiero della morte e a una pulsione masochistica (dominante, quest'ultima, ne Gli indomabili); il che porta ad arrischiare l'ipotesi che l'esperienza futurista, e in particolare il futurismo parolibero posteriore al 1912, sia la rielaborazione di un trauma. Esso può essere interpretato metaforicamente come lo choc del giovane Marinetti, balzato in pochi anni dalle sabbie d'Alessandria d'Egitto alle brume industriali di Milano, ma anche come una reale esperienza traumatica (l'incidente automobilistico del 1908, “mitologizzato” nel primo manifesto, ma che in realtà fu vissuto dall'autore come esperienza realmente perturbante).