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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Subject: search.filters.subject.Meccanica applicata alle macchine

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    Finite Element models for the dynamic analysis of composite and sandwich structures
    (2015-12-16) Treviso, Alessandra; Mundo, Domenico; Tournou, Michel
    The use of lightweight multi-layered materials is dramatically changing the design process and criteria in many engineering fields. The transportation industry, for example, is facing major challenges in order to replace traditional materials while keeping at least the same level of passengers’ comfort and safety. In particular, the Noise, Vibration and Harshness (NVH) performances are affected by the novel combination of high stiffness and low density. If the aeronautic industry still heavily relies on testing to assess designs’ validity, such an approach cannot be applied to the automotive industry for the development costs would be too high. It is therefore necessary to identify CAE tools capable of giving realistic, reliable and cost-effective predictions of multi-layered structures’ behaviour under dynamic loadings. An often overlooked problem is that of damping which is generally higher in composite and sandwich structure but rarely it is also efficiently exploited, so that in most cases the classic approach of applying NVH treatments is followed. However, this procedure has a detrimental effect on the attained weight saving and on the global dynamic performance of lightweight structures, therefore leading to unsatisfactory results. Moreover, the variability of mechanical properties due to the low repeatability of some manufacturing processes can also have an impact on the global behaviour of the as-manufactured component. An early integration of damping prediction and an estimate of possible stiffness variations due to the manufacturing can actually lead to better designs in less time. In this thesis these challenges are tackled from the Computer Aided Engineering (CAE) point of view, thanks to the introduction of a novel finite element for the prediction of the damped response of generic multi-layered structures and the proposition of a CAMCAE approach to introduce manufacturing simulations at an early stage in the design and analysis process. In the first chapters, different analytical and numerical approaches for the modelling of multi-layered structures are presented and used for the development of a 1D finite element. The results of the mono-dimensional analysis show that zigzag theories are a cost-effective and accurate alternative to solid finite element models, motivating the development of a 2D element for the analysis of plates and shells. With respect to previous investigations on zigzag theories, the current study focus on their use for modal parameters prediction, i.e. eigenfrequencies, mode shapes and damping. It will be shown that compared to classic models, the zigzag elements are able to predict the dynamic response, damped and undamped, of beam, plates and shells with the same accuracy of 3D models but at a much lower computational cost. In the last chapter, the available homogenisation methods for the analysis of long fibres composites are reviewed and compared to more refined models based on manufacturing simulation algorithms. Results show that changes in manufacturing parameters lead to substantially different results. The goal is to show that CAM/FE coupling is possible already at an early design stage and that manufacturing simulations can be used as a mean to further optimise the performance of composite structures. As a final stage, an example of coupling between zigzag theories and manufacturing simulations is presented. Despite some limitations, the proposed methods increase the accuracy of the analysis and gives a better understanding of lightweight multi-layered structures. Further research could focus on the use of the developed zigzag elements for fatigue analysis and delamination modelling as well as detailed modelling of drop-off regions in the framework of CAM tools improvements
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    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.
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    Efficient modelling methodologies for multibody simulations of vehicle dynamics
    (2014) Carpinelli, Mariano; Mundo, Domenico; Gubitosa, Marco
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    Efficient modelling methodologies for multibody simulations of vehicle dynamics
    (2014) Carpinelli, Mariano; Mundo, Domenico; Gubitosa, Marco; Pagnotta, Leonardo
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    Innovative methodologies for concept modelling of vehicle body structures
    (2014-11-26) De Gaetano, Giovanni; Olivito, Renato S.; Mundo, Domenico; Maletta, Carmine
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    Progettazione end-effector per chirurgia laparoscopica
    (2010-11-28) Perrelli, Michele; Danieli, Guido; Rizzuti, Sergio
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    Sviluppo di modelli multibody avanzati per la dinamica delle ruote dentate.
    (2012-11-15) Palermo, Antonio; Mundo, Domenico; Desmet, Wim
    Il lavoro di tesi e‟ incentrato sullo sviluppo di una metodologia multibody che permetta di simulare la risposta dinamica di una trasmissione come sistema completo, considerando gli effetti di contatto non-lineari e tridimensionali sull‟ingranamento delle ruote dentate. In particolare, le ruote dentate facenti parte della trasmissione non sono analizzate in maniera isolata, bensi‟ risentono delle condizioni operative istantanee derivanti dalle deformazioni strutturali e dalle interazioni della trasmissione con il generatore e l‟utilizzatore della potenza meccanica. Tali condizioni operative sono espresse, per tutti gli ingranaggi della trasmissione, in termini di disallineamenti istantanei e coppia trasmessa istantanea. Lo sviluppo della metodologia e‟ stato svolto in collaborazione con la Katholieke Universiteit Leuven e l‟azienda LMS International, entrambe situate nella citta‟ di Leuven (Belgio). La tesi ha inizio con un capitolo introduttivo, prosegue con la discussione dello stato dell‟arte, illustra attraverso tre capitoli di dettaglio la metodologia sviluppata, presenta i risultati numerici per due tipici casi di studio e termina con le conclusioni. L‟introduzione illustra sinteticamente le problematiche legate alla dinamica delle trasmissioni di potenza, le necessita‟ del contesto industriale di riferimento, la traiettoria di ricerca seguita durante il periodo di dottorato e i contributi sostanziali apportati dalla metodologia sviluppata. Tali contributi sono identificati nella possibilita‟ di evitare i costi computazionali imposti dalle dettagliate simulazioni di contatto, di modellare quindi in maniera dettagliata ed efficiente carichi dinamici e disallineamenti dinamici strettamente connessi alle vibrazioni e alla durabilita‟ delle trasmissioni meccaniche, e infine di calcolare tali quantita‟ fisiche attraverso una metodologia tale da poter essere utilizzata per un generico sistema meccanico rappresentato in ambiente multibody. Il capitolo relativo allo stato dell‟arte identifica tre classi principali di modellazione adottate per la dinamica delle trasmissioni meccaniche e ne analizza le relative applicazioni nei principali campi industriali, identificando punti di forza e di debolezza per ciascuna delle classi. Le tre classi analizzate includono modelli 12 analitici (da mono- a tri-dimensionali), modelli agli Elementi Finiti (statici e dinamici) e modelli multibody (a corpo-ruota rigido e flessibile). Le applicazioni riguardano il calcolo delle vibrazioni ai fini del comfort acustico e della durabilita‟ delle trasmissioni nel campo automobilistico, eolico e aeronautico. Si evidenzia come in tali applicazioni le trasmissioni rappresentino sistemi critici per il successo commmerciale dei prodotti (campo automobilistico ed eolico) o per la sicurezza degli utilizzatori (campo aeronautico). Il primo capitolo di dettaglio (Cap. 3) analizza le motivazioni teoriche su cui si fondano le ipotesi alla base della metodologia proposta. L‟Errore di Trasmissione e‟ identificato come l‟indicatore quantitativo principale per il calcolo delle vibrazioni della trasmissione. Subito dopo sono discussi i contributi della flessibilita‟ dei denti e dei disallineamenti all‟Errore di Trasmissione. Tale discussione fornice il substrato per comprendere come le modifiche microgeometriche delle superfici dei denti possano ridurre in maniera significativa le vibrazioni e migliorare la distribuzione delle pressioni di contatto. Sulla base delle motivazioni teoriche, la metodologia proposta permette di calcolare la rigidezza di ingranamento statica (per un range di condizioni operative) prima della simulazione dinamica e di ridurre i relativi tempi di calcolo in modo notevole, grazie alla semplice interpolazione di tale rigidezza in funzione delle condizioni operative istantanee. Il secondo capitolo di dettaglio (Cap. 4) fornisce la formulazione matematica alla base della metodologia proposta. Il terzo capitolo di dettaglio (Cap. 5) illustra in maniera quantitativa la sensibilita‟ dell‟Errore di Trasmissione rispetto alle variazioni della coppia applicata, di interasse e del disallineamento angolare nel piano d‟azione. Appare necessario da tale analisi includere gli effetti di tali variazioni per ottenere una risposta dinamica che sia accurata. Il capitolo sui casi di studio mostra come la discussione condotta nei capitoli precedenti sia correttamente rintracciabile nei risultati forniti dalla metodologia proposta. Il primo caso di studio analizzato e‟ quello di una coppia di ruote dentate elicoidali che presentano modifiche microgeometriche della superficie dei denti ottimizzate. La variabilita‟ dell‟Errore di Trasmissione risulta minima nelle condizioni operative di ottimo e degrada allontanandosi da tali condizioni. A bassa velocita‟ di rotazione i risultati dinamici convergono verso i risultati delle simulazioni statiche. Il secondo caso di studio analizzato e‟ un rotismo 13 epicicloidale a tre pianeti elicoidali. I risultati mostrano come sia necessario modellare gli effetti tridimensionali del contatto al fine di catturare correttamente la risposta dinamica del rotismo.