The Dynamics of Passive Torsional Fatigue Test Rigs: Innovative Applications of Universal Joints

The dynamics of a passive back-to-back test rig have been characterised, leading to a multi-coordinate approach for the analysis of arbitrary test configurations. Universal joints have been introduced into a typical pre-loaded back-to-back system in order to produce an oscillating torsional moment in a test specimen. Two different arrangements have been investigated using a frequency-based sub-structuring approach: the receptance method. A numerical model has been developed in accordance with this theory, allowing interconnection of systems with two-coordinates and closed multi-loop schemes. The model calculates the receptance functions and modal and deflected shapes of a general system. Closed form expressions of the following individual elements have been developed: a servomotor, damped continuous shaft and a universal joint. Numerical results for specific cases have been compared with published data in literature and experimental measurements undertaken in the present work. Due to the complexity of the universal joint and its oscillating dynamic effects, a more detailed analysis of this component has been developed. Two models have been presented. The first represents the joint as two inertias connected by a massless cross-piece. The second, derived by the dynamic analysis of a spherical four-link mechanism, considers the contribution of the floating element and its gyroscopic effects. An investigation into non-linear behaviour has led to a time domain model that utilises the Runge-Kutta fourth order method for resolution of the dynamic equations. It has been demonstrated that the torsional receptances of a universal joint, derived using the simple model, result in representation of the joint as an equivalent variable inertia. In order to verify the model, a test rig has been built and experimental validation undertaken. The variable inertia of a universal joint has lead to a novel application of the component as a passive device for the balancing of inertia variations in slider-crank mechanisms.

Theoretical and Experimental Analysis of micro-CHP Energy Systems

In the framework of the micro-CHP (Combined Heat and Power) energy systems and the Distributed Generation (GD) concept, an Integrated Energy System (IES) able to meet the energy and thermal requirements of specific users, using different types of fuel to feed several micro-CHP energy sources, with the integration of electric generators of renewable energy sources (RES), electrical and thermal storage systems and the control system was conceived and built. A 5 kWel Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) has been studied. Using experimental data obtained from various measurement campaign, the electrical and CHP PEMFC system performance have been determinate. The analysis of the effect of the water management of the anodic exhaust at variable FC loads has been carried out, and the purge process programming logic was optimized, leading also to the determination of the optimal flooding times by varying the AC FC power delivered by the cell. Furthermore, the degradation mechanisms of the PEMFC system, in particular due to the flooding of the anodic side, have been assessed using an algorithm that considers the FC like a black box, and it is able to determine the amount of not-reacted H2 and, therefore, the causes which produce that. Using experimental data that cover a two-year time span, the ageing suffered by the FC system has been tested and analyzed.

Integrated analysis and design of optimization and up-scaling of inductively coupled plasma synthesis of nanoparticles

This study is focused on radio-frequency inductively coupled thermal plasma (ICP) synthesis of nanoparticles, combining experimental and modelling approaches towards process optimization and industrial scale-up, in the framework of the FP7-NMP SIMBA European project (Scaling-up of ICP technology for continuous production of Metallic nanopowders for Battery Applications). First the state of the art of nanoparticle production through conventional and plasma routes is summarized, then results for the characterization of the plasma source and on the investigation of the nanoparticle synthesis phenomenon, aiming at highlighting fundamental process parameters while adopting a design oriented modelling approach, are presented. In particular, an energy balance of the torch and of the reaction chamber, employing a calorimetric method, is presented, while results for three- and two-dimensional modelling of an ICP system are compared with calorimetric and enthalpy probe measurements to validate the temperature field predicted by the model and used to characterize the ICP system under powder-free conditions. Moreover, results from the modeling of critical phases of ICP synthesis process, such as precursor evaporation, vapour conversion in nanoparticles and nanoparticle growth, are presented, with the aim of providing useful insights both for the design and optimization of the process and on the underlying physical phenomena. Indeed, precursor evaporation, one of the phases holding the highest impact on industrial feasibility of the process, is discussed; by employing models to describe particle trajectories and thermal histories, adapted from the ones originally developed for other plasma technologies or applications, such as DC non-transferred arc torches and powder spherodization, the evaporation of micro-sized Si solid precursor in a laboratory scale ICP system is investigated. Finally, a discussion on the role of thermo-fluid dynamic fields on nano-particle formation is presented, as well as a study on the effect of the reaction chamber geometry on produced nanoparticle characteristics and process yield.

Reverse Engineering tools: development and experimentation of innovative methods for physical and geometrical data integration and post-processing

In recent years, the use of Reverse Engineering systems has got a considerable interest for a wide number of applications. Therefore, many research activities are focused on accuracy and precision of the acquired data and post processing phase improvements. In this context, this PhD Thesis deals with the definition of two novel methods for data post processing and data fusion between physical and geometrical information. In particular a technique has been defined for error definition in 3D points’ coordinates acquired by an optical triangulation laser scanner, with the aim to identify adequate correction arrays to apply under different acquisition parameters and operative conditions. Systematic error in data acquired is thus compensated, in order to increase accuracy value. Moreover, the definition of a 3D thermogram is examined. Object geometrical information and its thermal properties, coming from a thermographic inspection, are combined in order to have a temperature value for each recognizable point. Data acquired by an optical triangulation laser scanner are also used to normalize temperature values and make thermal data independent from thermal-camera point of view.

Fatigue Crack Propagation in Pressurized metallic Fuselages

On the basis of well-known literature, an analytical tool named LEAF (Linear Elastic Analysis of Fracture) was developed to predict the Damage Tolerance (DT) proprieties of aeronautical stiffened panels. The tool is based on the linear elastic fracture mechanics and the displacement compatibility method. By means of LEAF, an extensive parametric analysis of stiffened panels, representative of typical aeronautical constructions, was performed to provide meaningful design guidelines. The effects of riveted, integral and adhesively bonded stringers on the fatigue crack propagation performances of stiffened panels were investigated, as well as the crack retarder contribution using metallic straps (named doublers) bonded in the middle of the stringers bays. The effect of both perfectly bonded and partially debonded doublers was investigated as well. Adhesively bonded stiffeners showed the best DT properties in comparison with riveted and integral ones. A great reduction of the skin crack growth propagation rate can be achieved with the adoption of additional doublers bonded between the stringers.

Modellazione Tridimensionale del Processo di Combustione di un Razzo a Propellente Solido

La regolazione dei sistemi di propulsione a razzo a propellente solido (Solid Rocket Motors) ha da sempre rappresentato una delle principali problematiche legate a questa tipologia di motori. L’assenza di un qualsiasi genere di controllo diretto del processo di combustione del grano solido, fa si che la previsione della balistica interna rappresenti da sempre il principale strumento utilizzato sia per definire in fase di progetto la configurazione ottimale del motore, sia per analizzare le eventuali anomalie riscontrate in ambito sperimentale. Variazioni locali nella struttura del propellente, difettosità interne o eterogeneità nelle condizioni di camera posso dare origine ad alterazioni del rateo locale di combustione del propellente e conseguentemente a profili di pressione e di spinta sperimentali differenti da quelli previsti per via teorica. Molti dei codici attualmente in uso offrono un approccio piuttosto semplificato al problema, facendo per lo più ricorso a fattori correttivi (fattori HUMP) semi-empirici, senza tuttavia andare a ricostruire in maniera più realistica le eterogeneità di prestazione del propellente. Questo lavoro di tesi vuole dunque proporre un nuovo approccio alla previsione numerica delle prestazioni dei sistemi a propellente solido, attraverso la realizzazione di un nuovo codice di simulazione, denominato ROBOOST (ROcket BOOst Simulation Tool). Richiamando concetti e techiche proprie della Computer Grafica, questo nuovo codice è in grado di ricostruire in processo di regressione superficiale del grano in maniera puntuale, attraverso l’utilizzo di una mesh triangolare mobile. Variazioni locali del rateo di combustione posso quindi essere facilmente riprodotte ed il calcolo della balistica interna avviene mediante l’accoppiamento di un modello 0D non-stazionario e di uno 1D quasi-stazionario. L’attività è stata svolta in collaborazione con l’azienda Avio Space Division e il nuovo codice è stato implementato con successo sul motore Zefiro 9.

Model reduction techniques in flexible multibody dynamics with application to engine cranktrain simulation

The development of a multibody model of a motorbike engine cranktrain is presented in this work, with an emphasis on flexible component model reduction. A modelling methodology based upon the adoption of non-ideal joints at interface locations, and the inclusion of component flexibility, is developed: both are necessary tasks if one wants to capture dynamic effects which arise in lightweight, high-speed applications. With regard to the first topic, both a ball bearing model and a journal bearing model are implemented, in order to properly capture the dynamic effects of the main connections in the system: angular contact ball bearings are modelled according to a five-DOF nonlinear scheme in order to grasp the crankshaft main bearings behaviour, while an impedance-based hydrodynamic bearing model is implemented providing an enhanced operation prediction at the conrod big end locations. Concerning the second matter, flexible models of the crankshaft and the connecting rod are produced. The well-established Craig-Bampton reduction technique is adopted as a general framework to obtain reduced model representations which are suitable for the subsequent multibody analyses. A particular component mode selection procedure is implemented, based on the concept of Effective Interface Mass, allowing an assessment of the accuracy of the reduced models prior to the nonlinear simulation phase. In addition, a procedure to alleviate the effects of modal truncation, based on the Modal Truncation Augmentation approach, is developed. In order to assess the performances of the proposed modal reduction schemes, numerical tests are performed onto the crankshaft and the conrod models in both frequency and modal domains. A multibody model of the cranktrain is eventually assembled and simulated using a commercial software. Numerical results are presented, demonstrating the effectiveness of the implemented flexible model reduction techniques. The advantages over the conventional frequency-based truncation approach are discussed.

Synthesis of Hand Exoskeletons for the Rehabilitation of Post-Stroke Patients

This dissertation presents the synthesis of a hand exoskeleton (HE) for the rehabilitation of post-stroke patients. Through the analysis of state-of-the-art, a topological classification was proposed. Based on the proposed classification principles, the rehabilitation HEs were systematically analyzed and classified. This classification is helpful to both understand the reason of proposing certain solutions for specific applications and provide some useful guidelines for the design of a new HE, that was actually the primary motivation of this study. Further to this classification, a novel rehabilitation HE was designed to support patients in cylindrical shape grasping tasks with the aim of recovering the basic functions of manipulation. The proposed device comprises five planar mechanisms, one per finger, globally actuated by two electric motors. Indeed, the thumb flexion/extension movement is controlled by one actuator whereas a second actuator is devoted to the control of the flexion/extension of the other four fingers. By focusing on the single finger mechanism, intended as the basic model of the targeted HE, the feasibility study of three different 1 DOF mechanisms are analyzed: a 6-link mechanism, that is connected to the human finger only at its tip, an 8-link and a 12-link mechanisms where phalanges and articulations are part of the kinematic chain. The advantages and drawbacks of each mechanism are deeply analyzed with respect to targeted requirements: the 12-link mechanism was selected as the most suitable solution. The dimensional synthesis based on the Burmester theory as well as kinematic and static analyses were separately done for all fingers in order to satisfy the desired specifications. The HE was finally designed and a prototype was built. The experimental results of the first tests are promising and demonstrate the potential for clinical applications of the proposed device in robot-assisted training of the human hand for grasping functions.

Inverse Static Analysis of Massive Parallel Arrays of Three-State Actuators via Artificial Intelligence

Massive parallel robots (MPRs) driven by discrete actuators are force regulated robots that undergo continuous motions despite being commanded through a finite number of states only. Designing a real-time control of such systems requires fast and efficient methods for solving their inverse static analysis (ISA), which is a challenging problem and the subject of this thesis. In particular, five Artificial intelligence methods are proposed to investigate the on-line computation and the generalization error of ISA problem of a class of MPRs featuring three-state force actuators and one degree of revolute motion.

Analisi delle proprieta' non termiche degli ammassi di galassie

In questa tesi si studiano gli aspetti dell’emissione non termica degli ammassi di galassie e le proprietà in confronto all’emissione termica dell’ICM, in particolare verranno messe a confronto le proprietà nella banda radio ed X. Si considerano in particolare le radiosorgenti diffuse: gli aloni, i relitti, i mini aloni e si mostra come l’andamento dello spettro radio degli aloni sia ripido alle alte frequenze; inoltre si nota che merger (scontri) recenti tra ammassi, sembrano fornire energia agli aloni ed ai relitti e dunque come conseguenza di ciò le proprietà nella banda radio e nei raggi X negli ammassi siano collegate tra di loro. I risultati sperimentali consentono di ipotizzare che gli ammassi con aloni e relitti siano caratterizzati da una forte attività dinamica che è collegata ai processi di merging. Si può vedere che i mini aloni sono le uniche sorgenti diffuse che non sono associate a merger tra ammassi. Si discute degli elettroni relativistici negli aloni radio, nei relitti radio e nei mini aloni radio. Trattando i campi magnetici degli ammassi, la loro origine e la polarizzazione che essi producono si evince che misurando la percentuale di polarizzazione si può stimare il grado d’ordine del campo magnetico in una radiosorgente. Se l’ICM in un ammasso possiede un forte effetto sulle strutture delle radiogalassie, la probabilità di formare radiosorgenti sembra non essere influenzata dall’ambiente dell’ammasso, ma soltanto dai merger degli ammassi. Nel secondo capitolo in particolare, si approfondisce invece la radiazione di sincrotrone.  

Quasar - variabilità e casualità

Analisi della variabilità temporale dello spettro di AGN e in particolare di Quasar, con definizione di "quasi-periodicità" e "casualità" su lungo e breve periodo, per un suo uso astrofisico mirato alla creazione di un cifrario crittografico.

Magneto-optic kerr microscopy for the study of magnetic nanostructures

La microscopia Kerr magneto-ottica è una tecnica di caratterizzazione magnetica che permette di ottenere informazioni sulla magnetizzazione superficiale di un campione ferromagnetico. La sensibilità locale e superficiale di questa tecnica, che è determinata sia dalla capacità di un microscopio ottico di ottenere un'immagine della superficie del campione che dalla profondità di penetrazione della luce visibile nei metalli, la rende adatta allo studio delle proprietà fisiche di nanostrutture magnetiche. Attraverso l'uso del microscopio Kerr di proprietà del Gruppo di Nanomagnetismo parte del Centro Cooperativo di Ricerca nanoGUNE Consolider (San Sebastian - Spagna), è stato possibile indagare l'effetto dato dall'anisotropia di scambio in nanostrutture magnetiche, per capire il comportamento di tale effetto in geometrie confinate al variare della temperatura. Questo studio ha permesso di individuare i limiti dello strumento e di conseguenza di estenderne le funzionalità. I principali interventi eseguiti hanno riguardato la stabilizzazione meccanica del sistema e lo sviluppo di un nuovo programma di acquisizione dati. Inoltre, la capacità di ottenere cicli di isteresi da singole nanostrutture magnetiche è stata sfruttata nello sviluppo di un nuovo tipo di dispositivo per la manipolazione di nanoparticelle magnetiche in soluzione, il cui principio di funzionamento si basa sulla mobilità delle pareti di dominio all'interno di anelli ferromagnetici con dimensione micro o nanometrica e sull'accoppiamento magnetostatico tra tali pareti di dominio e nanoparticelle superparamagnetiche trasportate in soluzione.

Analisi del sistema di gestione della produzione in Mase Generators S.p.A.

Analisi del sistema di gestione dell'azienda Mase Generators S.p.A. In particolare dopo aver introdotto l'importanza di un accurato flusso delle informazioni, si sono raccolti alcuni dati relativi alla produzione dell'impresa studiata per poter fare alcune considerazioni su valore di magazzino, livello di servizio ed ore di produzione caricate sulla commessa, al fine di individuare i punti di forza e le criticità del metodo adottato. Non esiste infatti un sistema di gestione che sappia rispondere a tutte le necesseità, ma una volta determinate le strategie esse devono essere ottimizzate e coerenti con gli obiettivi dell'azienda.

Approccio agli spostamenti per la valutazione della vulnerabilità sismica di telai in conglomerato cementizio armato.

Il presente lavoro ha lo scopo di presentare gli studi e i risultati ottenuti durante l’attività di ricerca svolta sul Displacement-based Assessment (DBA) dei telai in cemento armato. Dopo alcune considerazioni iniziali sul tema della vulnerabilità sismica e sui metodi di analisi e verifica, si procede alla descrizione teorica del metodo. Sono stati analizzati tre casi studio di telai piani, progettati per soli carichi verticali e secondo normative non più in vigore che non prevedevano l’applicazione della gerarchia delle resistenze. I telai considerati, destinati ad abitazione civile, hanno diversa altezza e numero di piani, e diverso numero di campate. Si è proceduto all’applicazione del metodo, alla valutazione della vulnerabilità sismica in base alla domanda in termini di spostamento costituita da uno spettro elastico previsto dall’EC8 e alla validazione dei risultati ottenuti mediante analisi non lineari statiche e dinamiche e mediante l’applicazione dei teoremi dell’Analisi limite dei telai, proposta come procedura alternativa per la determinazione del meccanismo anelastico e della capacità in termini di taglio alla base. In ultimo si è applicata la procedura DBA per la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio scolastico, realizzato tra il 1969 e il 1975 in un sito caratterizzato da una accelerazione di picco orizzontale pari a 0,24g e una probabilità di superamento del 10% in 75 anni.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, hanno isolato per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un’eccellente trasporto termico ed elettrico ed una elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che il 28 gennaio di quest’anno la Comunità Europea ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Nel mio elaborato di Tesi ho seguito le ricerche del gruppo grafene dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna, approfondendo il funzionamento del sistema di sintesi di questo materiale chiamato Chemical Vapour Deposition e le tecniche sperimentali che permettono il trasferimento del grafene su substrati come il silicio, ma anche materiali polimerici flessibili come il PET, per la realizzazione di elettrodi conduttivi, trasparenti per applicazioni nell’elettronica flessibile. Questa esperienza e stata molto importante per la mia formazione e mi ha dato modo di lavorare ad un soggetto di ricerca cosi attuale, importante e promettente come il grafene. Nutro personalmente grande passione e aspettativa per questo materiale e sono convinto che nel prossimo futuro la tecnologia del grafene saprà entrare nella vita quotidiana di tutti noi.