Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale dell'Università della Calabria.

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Acquisizione ed elaborazione dati di irraggiamento ed illuminamento solare nuove correlazioni di calcolo
(2014-05-12) De Rose, Alessandro; Marinelli, V.; Rizzuti, S.
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
Advanced techniques for numerical contact analysis in spiral bevel gears
(2019-07-08) Vivet, Mathijs; Desmet, Wim; Mundo, Domenico
The research presented in this dissertation treats the subject of efficient gear contact simulation and is applied to the contact analysis of spiral bevel gears. In today’s competitive environment getting better products to market faster is essential to win a customer’s interest and loyalty. Therefore, engineers are evermore in need of the correct solutions to rapidly predict, analyze and improve their designs if they want to meet the tight development schedules and budgets. Within the current development cycle of mechanical transmissions, computerized tooth contact analysis (TCA) has proven to be an invaluable tool to predict a gear pair’s key contact performance characteristics, while reducing the need for expensive physical prototyping and labor-intensive experimental testing. However, the geometrical complexity of the gear teeth still pose significant computational challenges to the tooth contact simulation for spiral bevel gears. Correctly capturing the spatial nature of the motion transfer and the resulting contact load distribution requires a three-dimensional gear contact model. Finite element method (FEM) based contact simulations are usually conducted, especially in an industrial context, while various tailor-made solutions also exist. When performing the contact detection, many of these solutions tend to apply a general contact detection method (e.g. node-to-surface) that treats the contacting gear teeth flanks as arbitrary surfaces. Not realizing that the gear flanks are designed to transmit motion in a near-conjugate way, leads to inefficient contact searches for which the associated computational cost not only limits TCA’s application to static component-level analysis but also hinders extension towards full-system level analysis or dynamic gear contact simulation. Building upon the existing concept of the surface of roll angles to efficiently detect contact, this dissertation develops a new penetration-based contact model to compute the three-dimensional contact loads from the actual position and orientation of the real tooth surfaces, whether misaligned or not. The proposed methods show to correctly predict component behavior at a computational cost that enables further application in system-level or dynamic analyses. An accurate description of the spiral bevel gear tooth surfaces is deep-rooted in the presented methodologies, since this proves vital to precisely describe the gear pair kinematics but also to correctly include all the relevant complex contact phenomena. However, a reference tooth profile, similar to the involute for cylindrical gears, does not exist for spiral bevel gears. Therefore, a mathematical model that simulates the cutting kinematics of the manufacturing process, proves to be indispensable to correctly capture both the gear teeth’s macro- and microgeometry. In this work the five-cut face-milling cutting process is adopted to create a representative geometry of a face-milled spiral bevel gear set. Contact detection based on the tooth flank’s surface of roll angles, combined with the ease-off topography, has been proposed in the gear literature to reduce the computational load, associated with the contact search. Yet, the ease-off topography, which quantifies the geometrical mismatch of a pair of contacting gear tooth surfaces, shows to hold limitations when moving beyond componentlevel contact analysis, as it is sensitive to the instantaneous gear pair installment. With the underlying idea of potential application of the presented methodologies within multibody system simulation, the usage of ease-off topography concept for contact detection is abandoned and replaced by a penetration-based contact model. An analytical compliance model is formulated to translate the detected penetrations into appropriate contact loads. The compliance model separates the linear gear tooth deflection components from a tooth pair’s local nonlinear deformation, which arises around the contact zone. The developed gear contact model with surfaces of roll angles, computed for the gear pair’s actual tooth flanks in the absence of misalignments, is then shown to be well capable of predicting a misaligned gear pair’s contact performance. In contrast, ease-off based contact models would require an update of the (misaligned) ease-off topography, each time the gear pair’s configuration changes (e.g. due to system-induced deflections), reducing their otherwise excellent computational efficiency. The proposed penetration-based gear contact model identifies the contact locations based on the surface of roll angles but computes the flank mismatch based on the instantaneous position and orientation of the real gear tooth surfaces, showing to be more robust to configurational changes. Finally, a strategy to parametrically redefine the gear contact model’s surfaces of roll angles in function of the instantaneous misaligned state of the gear pair, is proposed to further increase the accuracy of the contact detection. A prototype toolchain is created around the presented techniques for contact modeling, covering the various analyses for unloaded and loaded tooth contact analysis that are an essential part of today’s spiral bevel gear design process. Automated finite element model creation routines are developed to support the validation of the methods against nonlinear FEM-based contact simulations. These tools will greatly support future research into methodological advances
<> 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.
Analisi tecnico-sperimentale delle metodologie transitori di identificazione dei parametri caratteistici dei collettori solari termici a liquido
(2008) Cucumo, Silvio; Rizzuti, Sergio; Marinelli, Valerio
Analysis of Static and Dynamic Meshing Behaviour of Lightweight Gears
(2019-04-15) Shweiki, Shadi; Mundo, Domenico; Tamarozzi, Tommaso
In questo lavoro di tesi si è analizzato il comportamento dinamico di ruote dentate alleggerite. Tale tipologia di ingranaggi prevede l’utilizzo di corpi ruota dalla topologia ottimizzata al fine di ridurre la massa complessiva. Le modalità con cui è ottenuta la riduzione di peso hanno un grosso impatto sulla risposta dinamica dell’intera trasmissione. In applicazioni dove le performances in termini di NVH sono rilevanti, quali ad esempio quelle in ambito automotive, è fondamentale prevedere tale comportamento già nella fase di design iniziale, attarverso tecniche di simulazione numerica. Da parte dell’industria vi è quindi la richiesta di strumenti di calcolo sufficientemente dettagliati da poter replicare gli effetti dovuti agli alleggerimenti del corpo ruota. Al tempo stesso la richiesta è per strumenti di simulazione che siano il più efficienti possibile, in modo da poter essere utilizzati in simulazioni a livello di sistema. In questo lavoro di tesi due differenti approcci sono stati considerati. Un primo approccio prevede l’utilizzo di formulazioni analitiche, dove la rigidezza di contatto degli ingranaggi è stata calcolata in una fase di pre-processing attraverso l’uso di codici agli elementi finiti. Tale approcccio ha dimostrato di riuscire a modellare gli effetti dovuti alla variazione di rigidezza introdotta dai fori di alleggerimento nel corpo ruota, riuscendo altresì a mantenere un ottimo livello di efficienza computazionale. Il secondo approccio considerato in questo lavoro di tesi è basato su un codice MB commerciale, oppurtunamente esteso per considerare gli effetti dovuti agli alleggerimenti. Tale metodologia è stata validata sperimentalmente in termini di errore di trasmissione e di deformazione al piede del dente. Tale approccio, seppur più oneroso dal punto di vista computazionale, garantisce un ottimo livello di accuratezza. La formuazione ibrida MB-FEM consente di analizzare eventi in time-domain a livello di sistema, come mostrato nel caso di studio esaminato nell’ultimo capitolo di questa dissertazione, dove sono state confrontate le performances acustiche di due differenti layout. In tal modo si è potuto apprezzare come la topologia del corpo ruota abbia un effetto non trascurabile sull’emissione sonora della trasmissione. Entrambe le formulazioni sono state analizzate nel dettaglio, riportando altresì i punti di forza e di debolezza
Biomechanics of the human eye slera
(2014-02-14) Fazio,Massimo Antonio; Bruno,Luigi; Rizzuti,Sergio
The biomechanics of the optic nerve head and peripapillary sclera have been hypothesized to play a central role in the individual susceptibility to glaucoma, which is the second leading cause of blindness worldwide. The aim of this work is to provide a mechanical testing and experimental data analysis procedure to characterize mechanical properties of human sclera. The overall goal of performing scleral tissue mechanical testing is to elucidate the role of ocular biomechanics in the development of this disease by constructing eye-specific finite element models of the posterior pole. In this work it has been developed and validated a new methodology for computing sub-micrometer scale IOP-induced deformation obtained during pressurization testing of human scleral shells. Genetic Algorithm-based procedure and a microstructure-based numerical fitting method have been adopted to assess structural material properties of the testes eyes. Preliminaries results show the range of nonlinear, anisotropic mechanical properties of posterior sclera from normal eyes of human donors.
Bioreattori per l’ingegnerizzazione di tessuto per grandi difetti ossei
(2010) De Napoli, Ilaria Ester; de Cindio, Bruno; Catapano, Gerardo
CFD investigation of the seakeeping behavior of a catamaran advancing in regular waves by an unsteady rans code
(2014-01-23) Castiglione,Teresa; Rizzuti,Sergio; Bova,Sergio; Stern,Frederick
Control system for a nanogrid for home application: dynamic analysis and and implementation aspects using a behaviour tree
(2018-06-01) Motta, Michele; Critelli, Salvatore; Menniti, Daniele; Pinnarelli, Anna; Sorrentino, Nicola
Definizione di un modello di sintesi per l’analisi del comportamento dinamico dei veicoli
(2014-04-07) Malito, Giorgio; Rizzuti, Sergio; Gatti, Gianluca
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.
Design and experimental validation of downstream manufacturing processes on polymeric and composite materials.
(2019-04-15) Conte, Romina; Furgiuele, Franco; Ambrogio, Giuseppina
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 and testing of plasma sprayed coastings for high-temperature applications
(2014-02-14) Di Girolamo,Giovanni; Pagnotta,Leonardo; Rizzuto,Sergio
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
Digital imaging techniques for Cultural Heritage applications
(2014-03-03) Bianco,Gianfranco; Rizzuti,Sergio; Bruno,Fabio