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Advanced numerical methods for material forming and cutting
(2013-11-19) Greco, Francesco; Filice, Luigino; Pagnotta, Leonardo
The nite element method is the reference technique in the simulation of metal forming and provides excellent results with both Eulerian and Lagrangian implementations. The latter approach is more natural and direct but the large deformations involved in such processes require remeshing-rezoning algorithms that increase the computational times and a ect the quality of the results. For this reasons alternative techniques based on modi ed FEM formulations or meshless approximants are worth to be investigated. In particular, in this project, the nite element method with nodal integration and the maximum entropy meshfree approximants are studied and applied to the simulation of selected problems in metal forming and orthogonal cutting. Il metodo degli elementi niti e attualmente la tecnica di riferimento nella simulazione di processi di formatura e fornisce ottimi risultati sia con formulazioni Euleriane che Lagranzgiane. Quest'ultimo approccio e pi u naturale e diretto ma le grosse deformazioni che entrano in gioco in questi processi richiedono l'applicazione di algoritmi di remeshing-rezoning che aumentano i tempi computazionali e peggiorano la qualit a dei risultati. Per questi motivi assume particolare interesse lo sviluppo di tecniche alternative, basate su formulazioni FEM modi cate o su approssimazioni senza maglia (meshless). In particolare, in questo lavoro, sono studiati il metodo degli elementi niti con integrazione nodale e le tecniche meshless di tipo maximum entropy e, inoltre, sono applicati alla simulazione di processi di formatura e taglio
<> investigation on the usability of the Kinect by Microsoft in upper limb rehabilitation after stroke
(2016-12-15) Lupinacci, Giorgia; Pagnotta, Leonardo; Gatti, Gianluca
L’Ictus rappresenta la seconda causa di disabilità in Europa e la sesta nel mondo. Il danneggiamento del tessuto nervoso, a seguito di Ictus, può portare ad una perdita della mobilità dell’arto superiore, limitando così l’indipendenza del soggetto nello svolgimento delle normali attività quotidiane. La Neuro-riabilitazione e le tecnologie avanzate propongono nuove soluzioni, per promuovere la neuro-plasticità attraverso l’apprendimento e il controllo motorio. In questa tesi si e studiata l’applicabilità di un sensore di profondità commerciale per la riabilitazione dell’arto superiore, il Kinect for Windows. Il Kinect e stato adottato per analisi delle performance di soggetti e come strumento per l’interazione con un ambiente virtuale. Sono stati eseguiti test con soggetti sani e pazienti. Innanzitutto, si e effettuata una valutazione dell’accuratezza del Kinect v2.0, nonché del comportamento del sensore se posizionato in diverse posizioni e orientamenti. I risultati ottenuti in questa prima fase di studio hanno trovato conferma nell’accuratezza del classificatore di postura, il cui training è stato effettuato con dati ottenuti da un Kinect v2.0. Infine, si è realizzato un sistema per lo sviluppo di video-games riabilitativi. Il sistema prevede l’utilizzo di un Kinect per l’interazione con un ambiente virtuale personalizzabile e ha il vantaggio di essere flessibile e altamente orientato-al-paziente. Il Kinect rappresenta un buon compromesso tra accuratezza e utilizzabilità, e il percorso seguito ha consentito di mettere in evidenza le potenzialità e i limiti di questo strumento. Per la valutazione degli effetti a lungo termine sul recupero della mobilità, sarà necessario eseguire opportuni test clinici.
Analisi Energetica di sistemi ibridi con celle a combustibile: modello di simulazione numerica di un sistema SOFC/TG alimentato con miscele ricche di idrogeno
(2014-10-28) Mirandola, Francesca Amelia; Pagnotta, Leonardo; Florio, Gaetano; Fragiacomo, Petronilla
Nell'ambito della tecnologia a celle a combustibile ad alta temperatura, nel presente lavoro di tesi è stato formalizzato un modello matematico per la simulazione di un Sistema Ibrido SOFC/GT. E' stato delineato uno stato dell’arte della tecnologia delle celle a combustibile e dei sistemi ibridi. E’ stato analizzato il principio di funzionamento delle fuel cell che si basa su considerazioni di tipo termodinamico, chimico ed elettrochimico. A partire da tali considerazioni si determinano le equazioni rappresentative delle grandezze che consentono di caratterizzare il funzionamento e le prestazioni di una cella a combustibile. E’ stata poi effettuata una classificazione delle fuel cell e sono state trattate le caratteristiche peculiari di ogni tipologia di cella. Particolare approfondimento è stato dedicato alle celle ad alta temperatura in vista della loro applicazione nei sistemi ibridi. Per le SOFC è stato inoltre presentato uno state dell’arte riguardante le SOFC a temperatura intermedia che costituiscono una nuova frontiera di ricerca in tale ambito. Particolare attenzione è rivolta alla ricerca di materiali innovativi che possano soddisfare i requisiti richiesti dai componenti della cella, in campo di temperature più basso (600-800 °C). In base alle modalità con cui avviene il recupero dell’energia termica possono essere realizzate diverse tipologie di sistema ibrido. Tra tutti i tipi di sistemi ibridi ottenibili, gli unici ad essere in fase prototipale e di studio avanzato sono quelli HTFC+Ciclo a gas. Ciò è dovuto ad una serie di fattori tra cui la minore complessità impiantistica, le migliori prestazioni, la possibilità di poter realizzare impianti di piccola taglia e un minore costo di investimento iniziale. Sulla base dell’analisi tecnica di differenti configurazioni di sistemi ibridi HTFC/GT prese in considerazione e reperiti in letteratura, è stata effettuata un’analisi energetica. A tal proposito è stata sviluppata una metodologia che consente di effettuare una semplice e globale analisi energetica delle configurazioni di sistemi ibridi considerati, in assetto cogenerativo. Il fine della procedura implementata è quello di poter ottenere un’espressione analitica che consenta di descrivere il funzionamento del sistema in funzione dei parametri caratteristici dello stesso. Le relazioni ottenute consentono un’utile rappresentazione grafica al fine di poter effettuare un confronto energetico dei sistemi analizzati. Sulla base di alcuni indici prestazionali cogenerativi (rendimento elettrico e termico, rapporto termo-elettrico, rendimento equivalente e PES), tale metodologia permette inoltre, di poter effettuare un confronto energetico tra i diversi sistemi in assetto cogenerativo presi in considerazione e quindi di pervenire ad una valutazione delle prestazioni degli stessi. Questo tipo di analisi è stata condotta in due fasi. Nella prima fase l’analisi energetica è stata effettuata considerando tutti i singoli componenti del sistema come “black box” e quindi, trascurando i processi che accadono all’interno di essi, valutando solo i flussi energetici in input e in output da ogni singolo sottosistema nonché le interazioni tra gli stessi. Successivamente si è proceduto ad effettuare l’analisi di due configurazioni di HS in assetto cogenerativo considerando il componente cella a combustibile non più come una black box, ma costituita dagli elementi che la compongono (comparto catodico e anodico, elettrolita ed eventuale reformer esterno). Tale aspetto consente di mettere in evidenza i vari fattori di perdita e come essi influenzano l’andamento del rendimento elettrico del sistema ibrido. Ciò al fine di far si che la metodologia possa offrire una valutazione energetica del sistema in assetto cogenerativo anche in funzione di alcune caratteristiche della cella. Sulla base dell’analisi energetica effettuata, è risultato che tra tutti i layout analizzati alcuni di essi si prestano meglio alla sola generazione di potenza elettrica. Dal confronto dei sistemi considerati effettuato tramite l’indice PES, si è potuto concludere che gli impianti ibridi che consentono di realizzare un maggiore risparmio di energia primaria sono quelli che effettuano un migliore recupero del contenuto energetico dei flussi gassosi scambiati tra i vari componenti del sistema. L’analisi dei sistemi ibridi è proseguita con la modellazione numerica di un impianto costituito da una SOFC integrata con una turbina a gas. Lo studio delle celle a combustibile ad ossidi solidi e l’individuazione delle equazioni che governano i fenomeni che caratterizzano il loro funzionamento, ha condotto alla formalizzazione di un modello matematico per la simulazione del funzionamento delle SOFC al variare delle condizioni operative. Attraverso l’analisi delle modalità di integrazione delle SOFC con le turbine a gas, si è pervenuti all’individuazione di un layout di impianto e alla formalizzazione di un modello numerico per la simulazione di tale sistema. Sono stati quindi elaborati tre codici di calcolo: il modello WGS-SOFC (per la simulazione di SOFC alimentate con miscele ricche di idrogeno ed a scarso o nullo contenuto di metano), il modello DIRSOFC (per la simulazione di SOFC alimentate con miscele contenenti quantità significative di metano e caratterizzate da reforming interno diretto) e il modello HS-HTFC/GT per la simulazione del sistema ibrido. I modelli sono stati implementati in ambiente MATLAB e risolti tramite procedure iterative a convergenza. E' stata effettuata la validazione dei modelli rispetto a dei dati riportati in letteratura e sono state condotte delle simulazioni al variare delle condizioni operative di input. Per quanto riguarda la SOFC, il suo funzionamento è stato analizzato al variare della composizione della miscela di alimentazione. In particolare, sono state considerate tre miscele che differiscono tra loro per la quantità di idrogeno, monossido di carbonio e metano presenti. Le simulazioni sono state condotte anche al variare di alcune grandezze quali, ad esempio, la pressione e la temperatura di ingresso dei flussi reagenti. Il comportamento del sistema ibrido è stato simulato al variare di alcuni parametri significativi per la cella a combustibile, quali ad esempio il fattore di utilizzazione di combustibile. Sono state rilevate le grandezze in uscita che descrivono le prestazioni del sistema. Nel caso di una SOFC alimentata da due diverse miscele non contenenti metano e a diversa composizione di monossido di carbonio e idrogeno, per una pressione di funzionamento pari a 1 bar, si è potuto concludere che per valori di densità di corrente, inferiori a circa 0.4 A/cm2, la curva di tensione della cella alimentata da una miscela al 24% di CO risulta essere al di sotto della curva di polarizzazione che si ha nel caso di alimentazione con una miscela al 10% di CO, mentre accade il contrario per valori di corrente maggiori di 0.4 A/cm2. Tale circostanza è dovuta all’andamento delle perdite di polarizzazione che insorgono e, in particolare, a quelle di concentrazione che in tal caso incidono maggiormente sulla differenza di valori che si ha nei due casi considerati. L’aumentare della temperatura di ingresso dei reagenti conduce ad un miglioramento delle prestazioni di cella. Ad esempio, se tale temperatura aumenta da 373 K a 873 K si ottiene un incremento del rendimento dal 41.25% al 51.62% e un innalzamento significativo della curva di tensione. Nel caso di SOFC alimentata da una miscela costituita da una significativa quantità di metano, la simulazione è stata effettuata col modello DIR-SOFC che prevede il reforming interno diretto del combustibile. A differenza di quanto accade nel caso delle simulazioni al variare della pressione effettuate con il modello WGS-SOFC, a parità di temperatura di ingresso dei flussi, la temperatura di cella aumenta con l’aumentare della pressione. Ciò è dovuto all’effetto benefico che ha la pressione sul processo di reforming. Infatti la costante di equilibrio della reazione di steam reforming aumenta con il quadrato della pressione, implicando una maggiore conversione del metano in idrogeno e monossido di carbonio, e quindi un più elevato grado di conversione elettrochimica, che si ripercuote sulla temperatura di cella e sulle prestazioni espresse, ad esempio, in termini di tensione e densità di potenza elettrica. Le simulazioni del sistema ibrido sono state condotte con il codice HS-SOFC/GT. Ad un incremento del fattore di utilizzazione del combustibile corrisponde un miglioramento delle prestazioni del sistema ibrido. Infatti, un aumento di Uf determina un aumento del grado di conversione elettrochimica del combustibile e quindi, a parità di temperatura in ingresso, un aumento della temperatura di cella. Ciò concorre ad innalzare il contenuto energetico dei gas in uscita dal combustore che serviranno a preriscaldare i flussi gassosi fino al valore della temperatura di ingresso in cella, prima dell’ingresso in turbina. Di conseguenza si ha un aumento della TIT e del rendimento della turbina a gas. Aumentando la temperatura di ingresso dei flussi al comparto anodico e catodico, si è registrato un trend positivo di parametri significativi per le prestazioni del sistema ibrido. Ad esempio per un aumento della temperatura si è osservato un netto miglioramento del rendimento del sistema ibrido. Infatti, per un valore di densità di corrente pari a 0.3 A/cm2, il rendimento del sistema ibrido aumenta dal 52.95% in corrispondenza di una temperatura di ingresso pari a 773 K, al 60.72% per un incremento della temperatura di ingresso fino a 873 K. In virtù degli elevati rendimenti di conversione energetica e del basso impatto ambientale dovuti anche al recupero di flussi massici ed energetici proprio del principio di funzionamento stesso di tali sistemi, i sistemi ibridi SOFC/GT si collocano pertanto nell'ambito del perseguimento della sostenibilità energetico - ambientale e della generazione di potenza stazionaria ad alta efficienza.
Design and application of a novel microelectromechanical system for in situ SEM/TEM displacement controlled tensile testing of nanostructures
(2012-11-30) Pantano, Maria; Pagnotta, Leonardo; Espinosa, Horacio; Rizzuti, Sergio
Since the 1920s, different methodologies have been developed especially for mechanical characterization of material samples with characteristic length on the order of micro/nanometers. In the present manuscript, the main of such methodologies are presented and compared, in order to provide guidelines for mechanical characterization at the micro/nanoscale, and to identify the most versatile and effective among them. These are based on complete and miniaturized tensile testing stages, developed on proper microelectromechanical systems (MEMS). Because of their small size (they lie onto silicon wafers with area smaller than 1mm2 and thickness of only few micrometers), such testing devices are particularly suitable to handle micro/nanosized components, and can fit inside the tight chamber of scanning/ transmission electron microscopes (SEM/TEM), for real-time imaging of sample deformation. However, the effectiveness of the tests they allow to perform can be compromised by some disturbing phenomena, like onset of instability, as reported in a certain kind of tensile testing devices. In particular, these devices become unstable as soon as the sample under investigation shows stress relaxation, after some strain has been applied. Nevertheless, it is very important to be able to detect such singularities, since they may allow a deeper comprehen sion of materials’ behavior. In the present work, the above mentioned instability issue is overcome through the design of a novel device for in situ SEM/TEM tensile testing of nanostructures under true displacement control. Like other stages, also the one presented herein consists of two main components: an actuator and a sensor, which are separated by a small gap for positioning of the specimen. Actuation is performed by a thermal actuator, which pulls the end of the sample attached to it. The other end of the sample is instead connected to a displacement sensor, which moves from its equilibrium position, as a consequence of the force transmitted to it by the specimen. However, the main novelty of the present design is the introduction of a feedback control loop. In particular, a controller, implemented within a software routine, receives as input the sensor output, and computes the voltage to be applied to an electrostatic actuator, in order to generate a rebalance force of electrostatic nature, thus bringing the sensor back to equilibrium. In this way, the end ofand this boundary condition removes any potential source of instability. The MEMS sensing and actuating structures were designed by the means of both analytical and numerical approaches, in order to provide sufficiently high deformation (up to about 50% strain) and forces (up to 100μN) to break a variety of material samples. Fabrication was carried out by an external foundry on the basis of the masks drawings, reported in the present manuscript. In order to guarantee a correct functioning of the device, a proper experimental apparatus was developed. This allowed electrical connection of all of the actuating and sensing parts with external instrumentation, including current pre-amplifiers, power supplies, a lock-in amplifier, and a data acquisition card, which was used as interface between the controller and the MEMS device. The effectiveness of the present experimental apparatus was proven through an application on silver nanowires, with about 70 nm diameter and 3-4 μm gage length. The corresponding results, in terms of Young modulus, fracture and yield strength, showed good agreement with data already available in the literature, obtained for samples with comparable size. Also the device ability to detect singularities in the sample characteristic was demonstrated, as emerges from a load drop recorded after yielding of a nanowire. As a conclusion, the present experimental apparatus can be considered for future in situ SEM/TEM tensile tests on other material samples, as well as for electromechanical tests, since the specimen results to be electrically isolated from the remaining of the device. Thus, very interesting properties, like piezoresistivity and piezoelectricity, could be evaluated.
Development and characterization of advanced ceramic materials
(2017-06-29) Lamuta, Caterina; Furgiuele, Franco; Pagnotta, Leonardo
Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo sviluppo e la caratterizzazione di materiali ceramici avanzati. In particolare, tre diversi materiali sono stati prodotti e analizzati, e i risultati ottenuti sono stati presentati in tre differenti capitoli. Il primo capitolo si focalizza sullo studio di rivestimenti ceramici nanostrutturati di zirconia parzialmente stabilizzata con yttria (YSZ), realizzati mediante un processo di Air Plasma Spray (APS). Tali rivestimenti sono stati prodotti presso il centro ricerche ENEA di Brindisi e sono stati caratterizzatti nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università della Calabria. L’obiettivo dell’attività di ricerca svolta è stato quello di analizzare l’influenza di alcuni parametri di processo sulle proprietà microstrutturali, meccaniche e tribologiche dei suddetti rivestimenti. E’ stato dimostrato che, modificando in maniera opportuna tali parametri, è possibile controllare la percentuale di aree nanostrutturate contenute all’interno del materiale e quindi conferire al rivestimento proprietà differenti. In tal modo si possono quindi ingegnerizzare tali rivestimenti in funzione dei diversi campi di applicazione, che spaziano dalle produzione di barriere termiche a quella di rivestimenti abradibili, utilizzati per ridurre i flussi di bypass tra le pale e lo statore dei motori a turbina degli aerei. La microstruttura dei rivestimenti prodotti è stata analizzata mediante acquisizioni SEM (Scanning Electron Microscopy), mentre per la caratterizzazione meccanica e ad usura sono stati realizzati test di indentazione e test tribologici, rispettivamente. Mentre la zirconia può essere considerata un materiale ceramico avanzato ben noto, il materiale analizzato all’interno del secondo capitolo, una malta geopolimerica a base di metacaolino, è presentato come materiale ceramico avanzato per la prima volta nel presente lavoro di tesi. Tale materiale è stato interamente prodotto e caratterizzato presso i laboratori di Ingegneria Meccanica e Chimica dell’Università della Calabria. I geopolimeri sono materiali ceramici consolidati a freddo, ottenuti dall’attivazione alcalina di precursori alluminosilicati. Tali materiali, sviluppati nel 1970 come alternativa al cemento Portland, pur essendo più ecosostenibili rispetto a quest’ultimo presentano proprietà meccaniche e applicazioni simili a quelle del comune cemento. Non trovando impiego nell’ambito di applicazioni high-tech, i geopolimeri sono sempre stati annoverati tra i materiali ceramici tradizionali. La scoperta di un effetto piezoelettrico diretto all’interno di tali materiali, proposta per la prima volta nella presente trattazione, ha però il potere di trasformare i geopolimeri in materiali ceramici avanzati. Nuove ed interessanti applicazioni derivano infatti da questa scoperta, sia nell’ambito della sensoristica che in quello dell’ energy harvesting. In particolare, è stato proposto un nuovo modello chimico-fisico per la descrizione dell’effetto piezoelettrico osservato all’interno dei geopolimeri. Per la prima volta l’attività piezoelettrica è stata ricondotta ad un fenomeno di mobilità ionica anziché alla deformazione di una struttura cristallina non centro-simmetrica. Il coefficiente di carica misurato per le malte geopolimeriche prodotte varia da 4 pC/N a 40 pC/N, in base alla quantità di acqua contenuta all’interno del materiale. Oltre alla caratterizzazione piezoelettrica, sono state proposte anche una caratterizzazione piezoresistiva e meccanica. Quest’ultima in particolare, è stata condotta a diverse scale. Per la caratterizzazione alla nano e alla micro scala, sono state realizzate prove di indentazione, mentre per la caratterizzazione alla macroscale, è stata sviluppata ed ottimizzata una nuova metodologia, caratterizzata dalla combinazione della correlazione digitale delle immagini (DIC) e del Brazilian Disk Test. Il coefficiente piezoelettrico misurato per le malte geopolimeriche prodotte risulta essere sufficientemente elevato per applicazioni sensoristiche; tuttavia, alcune applicazioni, soprattutto nell’ambito dell’ energy harvesting, richiedono spesso coefficienti più elevati. Con lo scopo di incrementare le prestazioni elettro-meccaniche dei geopolimeri analizzati, si è deciso di utilizzare nanoplatelets di grafene (GNPs) come fillers all’interno delle malte prodotte. I risultati relativi alla produzione e alla caratterizzazione chimica, meccanica, ed elettromeccanica di tali nanocompositi sono stati presentati all’interno del terzo ed ultimo capitolo. Mentre l’aggiunta di GNPs sembra non aver modificato in maniera incisiva le proprietà meccaniche dei geopolimeri, sono stati misurati promettenti incrementi del gauge factor e del coefficiente piezoelettrico (pari al 20% e al 198%, rispettivamente) in seguito all’aggiunta dell’1% in peso di grafene. Ulteriori analisi sono tuttavia necessarie per la formulazione di un modello fisico in grado di chiarire il ruolo del grafene nell’ambito dell’attività elettro-meccanica dei geopolimeri. Nella seconda parte del terzo capitolo, alcuni isolanti topologici (Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe) sono stati proposti come nanofillers alternativi per l’incremento delle performances elettro-meccaniche dei geopolimeri. Gli isolanti topologici, noti anche come “graphene like materials”, pur essendo semiconduttori nel bulk, sono caratterizzati da un’eccellente conducibilità elettrica in superficie, paragonabile a quella del grafene. Rispetto a quest’ultimo inoltre, presentano una conducibilità priva di dissipazioni in presenza di difetti superficiali e possono essere prodotti tramite processi relativamente economici. La conoscenza delle proprietà meccaniche di tali materiali è tuttavia estremamente limitata e i pochi lavori presenti in letteratura sono quasi interamente di carattere teorico e computazionale. A tal proposito, il Bi2Te3, il Bi2Se3 e lo SnSe sono stati caratterizzati mediante prove di indentazione strumentata e simulazioni DFT (Density Functional Theory), tenendo in considerazione l’anisotropia meccanica che tali materiali presentano. I risultati ottenuti sono di fondamentale importanza per tutti gli studi futuri incentrati sulla produzione e la caratterizzazione di nanocompositi geopolimerici rinforzati con nanofillers di Bi2Te3, Bi2Se3 e SnSe. “Ingegnerizzare”, “concepire” e “migliorare” un materiale ceramico avanzato sono quindi i tre differenti approcci proposti all’interno dei tre differenti capitoli del presente lavoro di tesi.
Development of a high-order discontinuous galerkin solver for internal combustion engine flows
(2014-10-28) Covello, Vanessa; Pagnotta, Leonardo; Florio, Gaetano; De Bartolo, Carmine
The aim of this work is to contribute to the development of an unstructured ow solver able to match the increasing demand of the automotive industrial sector to advance CFD-aided design and analysis procedure. The method here presented is designed to ensure high-order of accuracy even in complex geometries using both explicit and implicit schemes for the temporal discretization of the compressible Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) k-omega equations. The algorithm is based on the Discontinuous Galerkin (DG) nite element method, one of the most promising high-order methods, that combines excellent dispersion and dissipation properties with high geometrical exibility. The DG solver is based on di erent multi-stage explicit or many implicit or semi-implicit schemes for achieving high order accuracy in time. Here we focus on an implicit multi-stage multi-step method, known in the literature as Two Implicit Advanced Step-point (TIAS) method, analyzing the performance of the sixth-order accurate TIAS scheme for long time simulations of sti and non sti unsteady problems. The second objective of this work is to demonstrate the applicability and reliability of optimization algorithms to control spurious numerical oscillations in simulation of transonic ows. The proposed optimization strategy relies on the gradient based optimization approach employing an Automatic Di erentiation (AD) tool for the evaluation of the sensitivities. The optimization process acts directly on the shock capturing technique, seeking for the optimal values of the shock capturing parameters. The performance of the solver is demonstrated by solving several test-cases of direct relevance in the context of automotive and aerodynamic applications. The comparison between experimental/analytical and numerical results allowed the validation and/or revision of physical and numerical models implemented in the code. Finally, we remark that this work is the starting point of a larger investigation that aims to deal with ICE ow conditions that are poorly predicted by RANS approaches, such as ow separation and reattachment in a highly three-dimensional con guration, by using time-accurate integration of the DG space-discretized ILES and hybrid RANS-LES models.
Development of static and dynamic techniques for the elastic characterization of isotropic and composite material
(2008-11-21) Stigliano, Giambattista; Rizzuti, Sergio; Pagnotta, Leonardo
Development, modeling and technical analysis of polymeric Fuel Cell propulsion systems for Hybrid Electric Vehicles
(2015-12-16) De Luca, Domenico; Petronilla, Fragiacomo; Pagnotta, Leonardo
Uno dei maggiori settori di consumo di petrolio e combustibili fossili è il settore dei trasporti. Questo comporta conseguenze negative per ciò che riguarda l’inquinamento ambientale ed i cambiamenti climatici. Le previsioni di un aumento mondiale del numero di veicoli a due ruote ed a quattro ruote, implicano una speciale attenzione per i combustibili alternativi e sostenibili dal punto di vista ambientale. In questo contesto l’idrogeno gioca un ruolo chiave. Le celle a combustibile, infatti, ad elettrolita polimerico si presentano come la più promettente tecnologia nel lungo periodo per produrre energia a bordo dei veicoli. Tale tecnologia trova applicazione nei veicoli ibridi in cui i flussi energetici sono ottimizzati. L’attività di ricerca svolta ha avuto come principale obiettivo l’analisi numerica di sistemi a propulsione innovativa equipaggiati con celle a combustibile. Questi studi sono stati condotti attraverso la definizione di modelli matematici di simulazione numerica in ambiente Matlab/Simulink®. I risultati consentono una dettagliata analisi delle celle a combustibile e delle configurazioni di veicoli ibridi con particolare riferimento ai flussi di potenza, al bilancio energetico, ai consumi, alla logica di controllo, all’umidificazione della membrana, al controllo termico, all’efficienza, ecc., al fine di dimensionare correttamente i vari componenti. L’utilizzo della simulazione numerica consente un’analisi più veloce ed economica rispetto alla realizzazione dei prototipi. Pertanto, essa può essere considerata come il primo passo nella progettazione e nella sperimentazione di questi veicoli. Il modello in Matlab/Simulink® consiste in un modello a blocchi dove i vari parametri operativi sono stimati in diverse condizioni operative nel rispetto di alcuni vincoli predefiniti. Le simulazioni sono svolte per diverse applicazioni per una vasta gamma di veicoli che comprendono veicoli a due ruote ed automobili di diversi segmenti per tragitti, definiti teoricamente, urbani, misti ed extra-urbani. Nel caso specifico di una veicolo a due ruote, derivato da una bicicletta elettrica con l’aggiunta di una cella a combustibile, i cicli di guida presi in considerazione non sono teorici, ma reali, in quanto ottenuti direttamente tramite misurazioni a bordo del veicolo
Effective traceability management: the global track&trace system
(2013-11-27) Pizzuti, Teresa; Pagnotta, Leonardo; Mirabelli, Giovanni
The evolution of the information technologies and their impact in human life promotes an increasing demand of reliable information when security and safety plays a primary role. Nowadays, food traceability represents one of the main concerns for public authorities and industries. In particular, traceability has become a critical part of the agro-food industry. The aim of the agro-food traceability is to allow the full monitoring of a product in the supply chain and to trace the history of a good from the producer to the consumer. It is therefore a preventive instrument of quality and safety management. The proposed research study is oriented to the definition of a new Global Track and Trace (T&T) System in which the entire world’s partners of a product’s supply chain are involved. In this system the functionalities of a conventional traceability system are combined with the functionalities of a Food Ontology for the traceability domain. The Food Ontology is defined in order to solve the issue of information-systems integration and standardization. The idea is to recover and to have available in a short time period all the relevant information about a product. This is a critical issue especially in case of foodborne outbreak and food crisis. The proposed framework can be a strategic approach for information and process management, also at the farm level. The model permits the Supply Chain optimization and the food quality management. The system itself can be a valuable tool for assuring customers and promoting the liability of the production process, along with the compliance with the regulatory standards aimed at defining quality and safety requirements.
Efficient modelling methodologies for multibody simulations of vehicle dynamics
(2014) Carpinelli, Mariano; Mundo, Domenico; Gubitosa, Marco; Pagnotta, Leonardo
Efficienza energetica e sostenibilità industriale: un prototipo di essiccatore a coclea
(2016-12-15) Crea, Francesco; Pagnotta, Leonardo; Kaliakatsos, Dimitros
Enhancing in porthole die extrusion. Influence of geometric and process parameters on the quality of aluminum alloys profiles
(2015-12-16) Citrea, Teresa; Pagnotta, Leonardo; Filice, Luigino
Environmental sustainability analysis of industrial processes
(2016-12-15) Varrese, Claudia; Pagnotta, Leonardo; Ambrogio, Giuseppina
Il lavoro di questa tesi si propone come introduttore e suggeritore di una serie di tecniche, strumenti e pratiche di monitoraggio e controllo degli aspetti ambientali legati al ciclo aziendale. Lo strumento attualmente in uso oggi nelle imprese, che funge da guida nella ristrutturazione in ottica ambientale delle proprie attività è l’LCA, sul quale si basa l’approccio delle 6R e le strategie di sviluppo suggerite: REDUCE, REMANUFACTURING, REUSE, RECOVER, RECYCLE, REDESIGN. L’obiettivo di fornire alle imprese strumenti utili in ottica sostenibile viene affrontato inquadrando le diverse analisi condotte nella tesi all’interno di due linee guida fondamentali: controllo dei costi e valutazione dell’impatto ambientale allo stesso tempo. Dunque, l’obiettivo è duplice e complesso: il solo traguardo morale non è sufficiente alle imprese per rimanere competitive. Dunque, costi e impatto ambientale diventano obiettivi alla pari anche se a volte apparentemente contrastanti
Feasibility of a frequency-modulated, wireless, MEMS acceleration evaluator (ALE) for the measurement of lowfrequency and low-amplitude vibrations
(2014-10-28) Sabato, Alessandro; Pagnotta, Leonardo; Oliveti, Giuseppe; Fortino, Giancarlo; Feng, Maria Q.
La necessità di monitorare le vibrazioni sulle strutture e su elementi meccanici assume notevole importanza. Mantenere sotto controllo strutture vetuste, infrastrutture e macchinari ricopre un ruolo strategico nella prevenzioni di situazioni che potrebbero destabilizzare, o finanche distruggere, le strutture stesse. Recenti sviluppi nei sistemi Micro Elettro Meccanici (MEMS), hanno reso gli accelerometri MEMS uno strumento attraente per il monitoraggio dello stato in cui versano diverse tipologie di strutture (SHM). Fino ad ora, la scarsa sensibilità e la bassa risoluzione dei sensori adoperati, specie alle bassissime frequenze, hanno costituito una seria limitazione per il monitoraggio di grandi strutture. Convenzionalmente, i segnali analogici in uscita dagli accelerometri MEMS sono convertiti in segnali digitali prima di essere trasmessi tramite radio-frequenza (RF). La conversione può causare perdita di accuratezza nell’analisi dei segnali caratterizzati da bassa frequenza e piccola ampiezza, che sono d’interesse nel campo dello SHM. Al fine di ovviare a tale limitazione, un nuovo sistema per la valutazione di accelerazioni (ALE) è progettato e realizzato in questo studio. ALE converte il valore di tensione in uscita dall’accelerometro MEMS in un segnale modulato in frequenza (FM) prima della radiotrasmissione. Per fare ciò, è adoperato, al posto del tradizionale Convertitore Analogico Digitale (ADC), un convertitore Voltaggio – Frequenza (V/F). Il prototipo realizzato in questo studio è formato da due schede: una trasmittente e una ricevente. La prima unità è equipaggiata con il suddetto accelerometro MEMS, un convertitore V/F e un’antenna trasmittente; la seconda, invece, per demodulare il segnale ed inviarlo ad una scheda di acquisizione dati (DAQ) collegata ad un computer, utilizza un’antenna ricevente e un convertitore Frequenza – Voltaggio (F/V). L’efficacia del prototipo realizzato, nel misurare sollecitazioni dinamiche caratterizzate da bassissime frequenze e piccole ampiezze, è valutata per dimostrare la possibilità di utilizzo di ALE nelle analisi SHM. Per fare ciò, sono state effettuate prove di laboratorio ed esperimenti su differenti strutture reali. Le prime consistono in calibrazioni statiche, studi sugli effetti che la carica residua delle batterie può avere sul comportamento delle schede, prove per valutare la distanza massima alla quale il sistema RF può trasmettere, e una serie di misure comparative con accelerometri cablati. Le seconde, invece, consistono in una serie di misurazioni effettuate su diverse tipologie di sistemi dinamici: una condotta per il trasporto di carburante (applicazioni industriali), una guglia in pietra di un edificio storico (applicazioni sismiche) e un ponte pedonale (monitoraggio di infrastrutture civili). In questo studio sono discussi i risultati raggiunti e fornite indicazioni utili per possibili futuri sviluppi del prototipo.
Green roofs per il risparmio energetico negli edifici
(2014-10-28) Bevilacqua, Piero; Arcuri, Natale; Pagnotta, Leonardo
Image-Guided robotic system for precision biopsy
(2013-11-19) Donnici, Mario; Pagnotta, Leonardo; Danieli, Guido
Impianto pilota per estrazione automatica di fibra di ginestra
(2015-12-16) Greco, Pasquale Francesco; Danieli, Guido; Pagnotta, Leonardo; Chidichimo, Giuseppe
La tesi di dottorato che è stata illustrata si colloca nell’ambito dell’ingegneria meccanica e più specificatamente nell’area di robotica e automazione. Lo scopo della tesi è stata la progettazione e realizzazione di un impianto automatizzato per l’estrazione di fibre dalla pianta di ginestra. L’impianto, attualmente allocato nel capannone dell’ex-Dipartimento di Difesa del Suolo Vincenzo Marone dell’Università della Calabria (località S. Antonello di Settimo di Montalto), consente di estrarre fibra di ginestra in maniera efficace. Come si è detto nei capitoli precedenti, le fibre di ginestra possiedono ottime proprietà fisico-chimiche e si prestano a molteplici applicazioni. Inoltre, si noti come in questi ultimi anni ci sia un interesse crescente nella ricerca di materiali di derivazione naturale e a basso impatto ambientale. I settori di utilizzo di questa fibra spaziano dal settore tessile alla bio-edilizia, dalla cosmetica alla medicina, ma anche nel settore automotive, nella depurazione dai metalli pesanti e in molte altre applicazioni industriali. Attualmente l’estrazione di fibre vegetali attraverso trattamenti di tipo chimicofisico o microbiologico è quasi esclusivamente affidato a lavorazioni manuali, ciò rende questa attività costosa e rischiosa per il lavoratore, che molto spesso entra in contatto con sostanze pericolose per la salute. Scopo dell’impianto realizzato è quello di estrarre fibra di ginestra in maniera automatizzata, per ridurre al minimo l’utilizzo di personale, e sopratutto annullare il contatto con sostanze potenzialmente nocive. Per progettare l’impianto, si è partiti dall’analisi della possibile sequenza di operazioni necessarie per estrarre le fibre di cellulosa e le ramificazioni esterne (vermene), che potrebbero essere utilizzate come isolante termico. Si sono divise le diverse operazioni, necessarie per la produzione della fibra, in sei stazioni di lavorazione fisicamente separate. Tutte le scelte effettuate evitano l’utilizzo di materiale monouso. Per questo motivo, quasi tutti i componenti sosono in acciaio inossidabile, anche per la presenza di sostanze corrosive nel ciclo. Per trasferire le piante da una stazione di lavoro all’altra sono state impiegate delle barre, appositamente progettate per velocizzare le operazioni di aggancio-sgancio delle ginestre. In più per ridurre al minimo il costo del lavoro, soltanto nella prima stazione sarà necessario l’intervento di un operatore, mentre tutte le rimanenti saranno automatizzate. Inoltre le sei stazioni sono state posizionate in una linea di montaggio a circuito chiuso, che parte dalla stazione di carico e termina con la stazione di separazione delle piante dalle barre, per riavviare il ciclo immediatamente dopo. La prima stazione è quella adibita al carico delle ginestre sulle barre. Questa è l’unica stazione controllata direttamente dall’operatore, che provvederà ad agganciare le ginestre sulle barre di acciaio inossidabile. Nella seconda stazione le barre porta ginestre vengono calate nella vasca di macerazione, contenente una soluzione al 5% di idrato sodico e tenuta alla temperatura di 80 °C. Le barre, quindi, vengono spostate da un’estremità all’altra della vasca e qui le ginestre macerano per un tempo di circa 20 minuti, arrivando così alla terza stazione. Terminata la fase di macerazione, sarà possibile prelevare la barra porta ginestre dalla vasca ed effettuare una prima spremitura delle ginestre. Si arriva alla quarta stazione che si occupa del lavaggio delle ginestre dalla soluzione di idrato sodico, che viene recuperata, filtrata e reimmessa nella vasca di macerazione. Dopo questa fase si arriva alla quinta stazione, dedicata al distacco delle fibre dalle piante di ginestra, utilizzando getti d’acqua in pressione e spazzole appositamente realizzate. In fine, nella sesta stazione, vengono liberate le piante prive di fibre dalle barre porta ginestre. La barra, oramai libera, verrà impegnata nuovamente nella prima stazione per avviare un nuovo ciclo di carico. Durante la progettazione e la costruzione dell’impianto di tesi, è stato redatto e approvato un brevetto [8], mentre un terzo brevetto, sulle spazzole di estrazione, è in fase di stesura. Nel prossimo futuro verranno ottimizzati i vari processi automatici dell’impianto agendo sul software di controllo e anche su alcuni meccanismi già realizzati, qualora fosse necessario. Ad esempio si potrebbero ridurre il numero di stazioni, unendo la quarta stazione con la quinta per effettuare lavaggio delle ginestre ed estrazione delle fibre in un unico passaggio. Oppure si potrebbero combinare la prima stazione con la sesta stazione per rendere più efficiente la procedura di carico e scarico delle barre porta ginestre. Tutto questo nell’ottica di poter continuamente migliorare l’impianto proposto in questa tesi e renderlo sempre più efficace ed efficiente. Inoltre non è esclusa la possibilità di utilizzare l’impianto anche per l’estrazione di fibra da piante quali canapa, lino, ecc. Terminata l’ottimizzazione dell’impianto pilota si cercherà di realizzare altri impianti in ginestreti già esistenti per effettuare estrazione di fibra in filiera corta e rendere remunerativi terreni altrimenti poco appetibili economicamente.
Innovative solutions for cooperative training in the maritime domain
(2014-10-28) Nicoletti, Letizia; Pagnotta, Leonardo; Mirabelli, Giovanni
The chapter presents the general architecture of the CTSIM framework that is an advanced solution for cooperative training of car terminal operators. This chapter is mostly focused on the vehicle simulator and on the operator simulator that are mainly addressed to drivers and parkers operators. Indeed, the analysis of car terminals operational processes has clearly shown that their performance has a direct influence upon the overall system performances. Before going into the substance of the CTSIM design and development, a preliminary study of the state of art has been carried out. The literature review has confirmed that Modeling & Simulation has been profitably used for operators training in port environments. Indeed, many simulators are currently available for training of different operators, namely ships pilots, forklift operators, Reach Stacker operators, Straddle Carrier operators, Gantry Crane operators, Offshore Crane operators, Tower Crane operators, etc. However, there is a lack of research in the field of 3D Virtual Simulators for operators working in car terminals. Moreover the analysis of the current procedures used in car terminals has further validated the research idea CTSIM relies on confirming the potential benefits of Modeling & Simulation in such a dynamic and complex environment. In such a context, the high number of procedures that each person has to learn and how workers interact each other are relevant, therefore CTSIM is a modular simulators system composed by three interoperable simulators: an Operator Simulator, a Ship Simulator and a Vehicle Simulator. The Vehicle Simulator is able to simulate a medium car, a truck (tractor and trailer) and all the procedures performed by a driver in a car terminal while the Operator Simulator simulates with a high accuracy all the movements and gestures of a parker thanks to a technical solution which the Kinect, a tracking glove and a joystick are part of. The simulators that are part of CTSIM are integrated according to the paradigms of distributed simulation so as to be able to interact each other sharing the same virtual environment. The connection is guaranteed by a TCP/UDP protocol also able to work on separated computers; this way it is possible to have more than one Vehicle Simulator and more than one Operator Simulator for cooperative training.
Integrazione di tecniche ottiche e acustiche di imaging 3D in ambiente subacqueo
(2015-12-16) Lagudi, Antonio; Pagnotta, Leonardo; Rizzuti, Sergio; Bruno, Fabio
Lean management practices applied to system healthcare facilities
(2015-12-16) Calogero, Antonio; Pagnotta, Leonardo; Longo, Francesco
This thesis concerns the results of a simulation study that has involved the Surgical Department and Intensive Care Unit of a public healthcare facility located in South Italy. After a preliminary work devoted to map the processes and after data collection and analysis, Lean Tools have been studied before and simulation models have been developed after. The models, that have been validated by stakeholders and through comparison with real data, can be used for evaluating actual and maximum capacities but also for testing alternative scenarios before the implementation in the real system. Moreover, thanks to the model parametrization, the proposed tools can be easily adopted in other similar facilities or for evaluating different configurations in terms of resources allocation and availability. In addition, the simulation models have been equipped with build-in functions implementing the “pull method” and "kanban" from Lean Management practices showing that substantial performance improvements can be achieved . The most healthcare organizations push patients from one area to another, from wards to operating blocks, without knowing when the patient will be treated. Instead, according the pull method, thanks to a definitive scheduling and some basic preconditions such as continuous checking and resources availability, patients are pulled when they are actually needed and as a result wastes are reduced and productivity is enhanced. The effects of the pull method implementation are accurately investigated in the simulated environment that has served as playground to assess the potential impact of the proposed approach. Regarding Intensive Care Unit, the staff works under enormous stress and the workload has continued to increase during the last years. Usually this type of environment creates an atmosphere of frustration and anxiety for all staff due to particulars conditions of patients. In this particular scenario, the Intensive Care Unit team that we presented in this research work was introduced to the results of the simulation and to the Lean concepts through dedicated training courses. The Lean methods and tools as well as simulation results were successfully transferred to the real system with a relevant increase of the overall performances. The implementation of Lean methods and tools can help any organization to launch its Lean transformation and improvement. This is even more important for Hospitals that cannot continue to operate as they have done in the past. The hospitals need to ensure their processes with much more value added work and such work must be totally directed on patients.