Dissertations / Theses on the topic 'Vibrazioni Meccaniche'

Il presente elaborato finale di laurea è incentrato sulla verifica dell’efficacia del sistema di isolamento dalle vibrazioni di un’attrezzatura scientifica. In particolare, si è studiata la galleria del vento del laboratorio di ricerca CICLoPE (Center for International Cooperation for Long Pipe Experiment) dell’Università di Bologna. Durante la fase di costruzione dell’impianto, il progetto del basamento inerziale che costituisce la sospensione del gruppo motore, principale sorgente di vibrazioni meccaniche, è stato realizzato da una azienda esterna. Dopo qualche anno di funzionamento del laboratorio, si è pensato di verificare il comportamento vibratorio attuale per individuare l’insorgenza di eventuali criticità, soprattutto in termini di vibrazioni meccaniche trasmesse al suolo che, se eccessive, possono compromettere gli esiti dei test fluidodinamici condotti in galleria. L’attività svolta comprende sia uno studio teorico per la verifica del modello che fu adottato per isolare il sistema, sia una campagna sperimentale per la misura e l'analisi dei segnali accelerometrici riscontrabili alla base della sospensione in diverse condizioni di funzionamento dell’impianto.

Il lavoro presentato ha avuto l’obiettivo, attraverso lo studio dei più comuni servomotori stepper, di replicare profili di accelerazione registrati o definiti con l’utilizzo di una piattaforma hardware Arduino in grado di salvare ed elaborare dati. Per raggiungere tale risultato è stato realizzato un braccio meccanico in grado di replicare l’accelerazione su un singolo asse di interesse. L’intento del progetto è fungere da base per l’elaborazione di un dispositivo a tre assi utilizzabile in maniera estesa nei diversi campi in cui i fenomeni vibrazionali possono essere di rilievo.

Nell’ambito della medicina riabilitativa, si sta affermando sempre più l’applicazione terapeutica di vibrazioni meccaniche nel trattamento di specifiche patologie cliniche e nel settore della riabilitazione sportiva. L’esposizione alle vibrazioni può avere sull’organismo effetti positivi o negativi in funzione del tipo d’oscillazione e della durata dell’esposizione stessa. Le vibrazioni meccaniche, se applicate per periodi d’esposizione ridotti e frequenze d’oscillazione dell’ordine di 15-50 Hz, non solo non comportano alcun effetto negativo a livello organico, ma al contrario possono indurre adattamenti positivi del corpo umano. Il corpo umano però non vibra come una massa unica con un’unica frequenza naturale, ma ogni sua componente ha la propria frequenza di risonanza, il che provoca un’amplificazione o attenuazione delle vibrazioni di input da parte di ogni segmento corporeo. Per questo motivo è necessario porre particolare attenzione alla modalità di trasmissione delle vibrazioni meccaniche al corpo umano: queste difatti, se applicate all’intero corpo in maniera troppo aspecifica (Whole Body Vibration), hanno un effetto che non sempre risulta benefico. Ecco perché è di primaria importanza localizzare le suddette vibrazioni ad un segmento corporeo ben preciso e focalizzarne il più possibile l’effetto nella zona di interesse. Pertanto nel presente lavoro si sono esaminate le modalità con le quali tradurre l’esigenza medica di avere a disposizione un dispositivo dedicato all’applicazione localizzata di vibrazioni meccaniche controllate in ambito clinico, in linguaggio scientifico-ingegneristico, cercando di produrne una soluzione progettuale. In collaborazione con la ditta Boscosystemlab, impegnata nel settore della produzione di dispositivi per la riabilitazione e l’allenamento fisico, si è ideato ed implementato un prototipo specifico per l’applicazione clinica di vibrazioni locali al corpo umano. L’apparecchio implementato rende ergonomica l’applicazione locale delle vibrazioni, è “auto-applicabile al paziente”, protegge l’operatore clinico dalle sollecitazioni vibratorie applicate al paziente ed è di agevole utilizzo. Dopo aver implementato il nostro dispositivo, abbiamo verificato che la somministrazione delle sollecitazioni meccaniche erogate da esso ed applicate sul corpo producessero degli effetti oggettivamente rilevabili, effettuando misure elettromiografiche di superficie, analizzando il comportamento dei muscoli a riposo e durante l’applicazione su di essi delle vibrazioni prodotte dal prototipo, rilevando una risposta muscolare maggiore nel secondo caso. Successivamente si è posta in essere una reale indagine clinica basata su sperimentazioni effettuate sul campo. In collaborazione con il Programma Aziendale di Medicina Fisica e Riabilitazione Ambulatoriale della Fondazione Policlinico Tor Vergata di Roma si è somministrato l’Esercizio Terapeutico Vibratorio (ETV), utilizzando il nostro dispositivo, ad un paziente con frattura della tibia destra con ritardo di consolidazione o pseudoartrosi. Le immagini radiologiche in itinere e la successiva analisi mediante l’introduzione dell’Indice di Massa Ossea (IMO) ci inducono ad affermare che la terapia vibratoria applicata con il prototipo, contribuisce in maniera decisiva alla terapia di quei quadri patologici che si presentano con disturbi della formazione del callo osseo, riuscendo a risolvere il ritardo di consolidazione, riducendo notevolmente i tempi di recupero del paziente; non è da trascurare inoltre il miglioramento indotto sullo stesso in merito alla sintomatologia parestesica ed alla risoluzione dell’edema perilesionale. L’obiettivo seguente è stato quello di verificare l’effetto delle vibrazioni a livello metabolico sul muscolo di applicazione. In quest’ottica abbiamo deciso di utilizzare un ossimetro tissutale, installato presso l’Ospedale Fatebenefratelli dell’Isola Tiberina di Roma, in grado di rilevare l’andamento delle concentrazioni di Hb e HbO2, facendo uso della NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). Effettuando delle misure durante l’applicazione dell’ETV, è stato possibile ricavare informazioni inerenti l’attività metabolica muscolare nella zona trattata (il bicipite destro nelle nostre misure). Analizzando gli andamenti ottenuti da queste misurazioni si rileva una variazione della concentrazione di emoglobina totale, ossigenata, e non ossigenata e della percentuale di saturazione di ossigeno: in particolare per quel che concerne l’emoglobina ossigenata si riscontra un aumento della sua concentrazione. Ulteriori misurazioni ci rivelano che sebbene le variazioni di concentrazione dell’emoglobina possano essere provocate in parte da un aumento di temperatura superficiale, anche le stesse vibrazioni meccaniche inducono variazioni rilevanti.
In Rehabilitation Medicine, therapeutic application of vibration energy in specific clinical treatments and in sport rehabilitation is being affirmed more and more. Vibration exposure can have positive or negative effects on the human body, depending on the features and time of the characterizing wave. Short periods of vibration exposure and specific frequency values can determine positive adjustments of human body. Human body doesn’t vibrate like a unique body, but every element regarding its own resonance frequency can cause an amplification or attenuation of the vibrations applied. This is the reason why vibration application mechanisms are crucial: if applied in non specific way, Whole Body Vibration (WBV) treatments could have non positive effects. In order to focus the effect of vibration in the specific treatment area, local vibrations (LV) have been introduced in rehabilitation medicine. The initial aim of the present study was to translate the medical necessity of applying local vibration in clinical treatments into scientific-engineering language, producing a design solution. In collaboration with Boscosystem Company, a manufacturer of rehabilitation medicine and sport training devices, we have produced a specific prototype for LV application on human body. The device is user friendly, “auto-applicable” to the patient, it preserves clinical operator from vibration stress and it makes LV applications ergonomic. Then, we have tested our prototype, verifying that the vibration produced by it and applied on human body has objectively detectable effects, analyzing the behaviour of muscles in rest time and under vibration energy, by using surface electromyography, obtaining a greater response in the second scenary. Subsequently, a real clinical inquiry was made about the device effectiveness and its clinical use on patients. To achieve this goal, in collaboration with the Company Program of Physical Medicine and Day-Hospital Rehabilitation of Policlinico Tor Vergata in Rome, we have applied therapeutic exercise by vibration (TEV) produced by our device on a male patient with a non-union right tibial fracture. In itinere radiological images and Bone Mass Index analysis allow us to state that TEV, made by using our device, contributes decisively to the therapy of pathologies concerning disorders of bone callous forming, resolving the consolidation delay, reducing patient healing time; moreover it isn’t negligible the improvement induced on the patient, as far as paraesthetic symptomatology and reduction of perilesion edema are concerned. The next target of our study was the inquiry of TEV metabolic effects on the application muscle. So, we have used a Tissue Oximeter installed at Fatebenefratelli Isola Tiberina Hospital in Rome, that is able to detect Hb and HbO2 concentration trend, by using NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). By making measurements during TEV application, it was possible to obtain information about metabolic activity in the treated area (biceps in our case). By analyzing Hb and HbO2 trends, we have shown a variation of total Hemoglobine, of oxygenated and non-oxygenated Hemoglobine and of oxygen saturation: in particular, we have shown an increase of oxygenated Hemoglobine. More measurements revealed us that, although Hemoglobine concentration increase could be partially caused by temperature rise, Local Vibrations themselves induce sensible variations.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso azienda operante nel settore delle macchine utensili, ha l'obiettivo di indagare l’implementazione di un sistema di condition monitoring basato su misura e analisi di segnali sperimentali per definire strategie di manutenzione predittiva delle macchine. Queste ultime vengono equipaggiate, provvisoriamente o in modo permanente, di appostiti sensori in grado di acquisire segnali indicativi del funzionamento della macchina stessa. Nel settore delle macchine utensili, i parametri relativi alla loro firma vibratoria sono comunemente analizzati nelle attività di monitoraggio. Dovendo implementare il sistema sulle varie unità di lavoro di cui si compone una macchina completa, per i test di indagine preliminare è stato sfruttato un banco prova con fresatrice verticale a tre assi, la cui struttura modulare è rappresentativa di tutte le unità di lavoro delle macchine prodotte dall’azienda. Dopo un’analisi di mercato e incontri con diversi fornitori, si è individuato il sistema più idoneo rispetto alle specifiche tecniche ed economiche aziendali. Si è reputato opportuno acquistare un sistema di monitoraggio portatile, e non fisso, perché in grado di offrire maggiore versatilità ed effettuare analisi più approfondite. I test sulla macchina di prova sono stati effettuati per velocità di rotazione del mandrino sia a regime sia per rampe lineari. Per il primo tipo, si è presa a riferimento la velocità di rotazione associata a una tipica lavorazione di foratura; per il secondo invece, una prova in decelerazione ha permesso di individuare le principali risonanze della macchina, rilevate in corrispondenza dei picchi di ampiezza del segnale vibratorio. Consolidato l’uso del sistema acquisito, a corollario dell’attività principale di tesi, è stata svolta un’indagine sperimentale su alcuni portautensili commerciali, con l’obiettivo di individuare quello con la maggiore stabilità dinamica e indirizzare così le future scelte di approvvigionamento.

I sistemi di accumulo di energia costituiscono una tecnologia abilitante per le energie rinnovabili, poiché di natura tipicamente discontinua, dato che consentono uno svincolo temporale tra produzione ed utilizzo. In particolare, gli accumulatori elettromeccanici costituiscono una valida alternativa ai più diffusi accumulatori elettrochimici in termini di eco-sostenibilità e tempi di ricarica. L’elaborato tratta lo studio vibrazionale di un prototipo di macchina elettrica sincrona ironless a magneti permanenti, destinata ad un sistema di accumulo elettromeccanico dimensionato per utilizzo domestico. Prove sperimentali sono state eseguite facendo funzionare la macchina come generatore, trascinata da un motore elettrico asincrono al banco prova; ci si è focalizzati sull’analisi del segnale vibratorio rilevato da un trasduttore accelerometrico installato sulla flangia statorica della macchina, testata in suoi diversi punti di funzionamento a diverse velocità di rotazione. Sono stati, poi, sviluppati diversi codici MATLAB per elaborare i dati sperimentali, ottenuti in prove eseguite a velocità sia variabile che costante. Il confronto dei risultati ha confermato la convergenza dei modelli, consentendo di individuare le frequenze proprie del sistema e le armoniche della frequenza di rotazione della macchina. È stato, inoltre, sviluppato, a seguito di un processo di reverse engineering volto alla rilevazione delle quote dimensionali dei vari componenti della macchina, un modello CAD della stessa; questo getta le basi per sviluppi futuri del progetto, del quale risulta utile la definizione dei modelli tridimensionali delle altre parti comprese nel sistema (anch’esse soggette all’eccitazione della rotazione della macchina), unitamente alla definizione dei materiali delle varie parti ed alle condizioni di vincolo tra queste, al fine di sviluppare un’analisi modale che consenta di determinare le deformate di ogni componente e indagare le cause della risposta vibratoria del sistema.

I test di qualifica a vibrazioni vengono usati in fase di progettazione di un componente per verificarne la resistenza meccanica alle sollecitazioni dinamiche (di natura vibratoria) applicate durante la sua vita utile. La durata delle vibrazioni applicate al componente durante la sua vita utile (migliaia di ore) deve essere ridotta al fine di realizzare test fattibili in laboratorio, condotti in genere utilizzando uno shaker elettrodinamico. L’idea è quella di aumentare l’intensità delle vibrazioni riducendone la durata. Esistono diverse procedure di Test Tailoring che tramite un metodo di sintesi definiscono un profilo vibratorio da applicare in laboratorio a partire dalle reali vibrazioni applicate al componente: una delle metodologie più comuni si basa sull’equivalenza del danno a fatica prodotto dalle reali vibrazioni e dalle vibrazioni sintetizzate. Questo approccio è piuttosto diffuso tuttavia all’autore non risulta presente nessun riferimento in letteratura che ne certifichi la validità tramite evidenza sperimentalmente. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato di verificare la validità del metodo tramite una campagna sperimentale condotta su opportuni provini. Il metodo viene inizialmente usato per sintetizzare un profilo vibratorio (random stazionario) avente la stessa durata di un profilo vibratorio non stazionario acquisito in condizioni reali. Il danno a fatica prodotto dalla vibrazione sintetizzata è stato confrontato con quello della vibrazione reale in termini di tempo di rottura dei provini. I risultati mostrano che il danno prodotto dalla vibrazione sintetizzata è sovrastimato, quindi l’equivalenza non è rispettata. Sono stati individuati alcuni punti critici e sono state proposte alcune modifiche al metodo per rendere la teoria più robusta. Il metodo è stato verificato con altri test e i risultati confermano la validità del metodo a condizione che i punti critici individuati siano correttamente analizzati.
Qualification with respect to input vibrations is an important step in the development of a product since it provides fundamental information relative to the product fatigue life. For the sake of test feasibility, environmental vibrations that excite the product during its lifetime (thousand of hours) must be reduced to test profiles suitable for an experimental campaign to be performed in a laboratory (typically by means of an electromechanical shaker). The idea is to increase the amplitude of the input vibrations while decreasing the corresponding duration. Some Test Tailoring procedures exist for the definition of test vibration profiles starting from environmental data properly acquired: one of the most common is based on the equivalence of the fatigue damage caused by both the environmental data and the test profiles. This approach is reasonable and quite widespread: however, in the author’s knowledge, the literature offers no paper dealing with the demonstration of the method reliability based on experimental evidence. In the present thesis, the intense experimental campaign carried out to validate the method (on a proper specimen) is presented. The method is firstly applied to synthesize a test profile (that is random stationary) having the same duration of the non-stationary environmental vibration. The damage potential of the synthesized vibration is then compared to the environmental vibration one, in terms of the specimen time to failure. Results show that the test profile damage potential is highly overestimated and therefore the equivalence is not respected. Some critical issues are pointed out to try to explain and overcome the high error. The method is applied in many other cases and the final results basically confirm the soundness of the method provided that critical issues are properly accounted and compensated for.

I test di qualifica a vibrazioni vengono usati in fase di progettazione di un componente per verificarne la resistenza meccanica alle sollecitazioni dinamiche (di natura vibratoria) applicate durante la sua vita utile. La durata delle vibrazioni applicate al componente durante la sua vita utile (migliaia di ore) deve essere ridotta al fine di realizzare test fattibili in laboratorio, condotti in genere utilizzando uno shaker elettrodinamico. L’idea è quella di aumentare l’intensità delle vibrazioni riducendone la durata. Esistono diverse procedure di Test Tailoring che tramite un metodo di sintesi definiscono un profilo vibratorio da applicare in laboratorio a partire dalle reali vibrazioni applicate al componente: una delle metodologie più comuni si basa sull’equivalenza del danno a fatica prodotto dalle reali vibrazioni e dalle vibrazioni sintetizzate. Questo approccio è piuttosto diffuso tuttavia all’autore non risulta presente nessun riferimento in letteratura che ne certifichi la validità tramite evidenza sperimentalmente. L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato di verificare la validità del metodo tramite una campagna sperimentale condotta su opportuni provini. Il metodo viene inizialmente usato per sintetizzare un profilo vibratorio (random stazionario) avente la stessa durata di un profilo vibratorio non stazionario acquisito in condizioni reali. Il danno a fatica prodotto dalla vibrazione sintetizzata è stato confrontato con quello della vibrazione reale in termini di tempo di rottura dei provini. I risultati mostrano che il danno prodotto dalla vibrazione sintetizzata è sovrastimato, quindi l’equivalenza non è rispettata. Sono stati individuati alcuni punti critici e sono state proposte alcune modifiche al metodo per rendere la teoria più robusta. Il metodo è stato verificato con altri test e i risultati confermano la validità del metodo a condizione che i punti critici individuati siano correttamente analizzati.
Qualification with respect to input vibrations is an important step in the development of a product since it provides fundamental information relative to the product fatigue life. For the sake of test feasibility, environmental vibrations that excite the product during its lifetime (thousand of hours) must be reduced to test profiles suitable for an experimental campaign to be performed in a laboratory (typically by means of an electromechanical shaker). The idea is to increase the amplitude of the input vibrations while decreasing the corresponding duration. Some Test Tailoring procedures exist for the definition of test vibration profiles starting from environmental data properly acquired: one of the most common is based on the equivalence of the fatigue damage caused by both the environmental data and the test profiles. This approach is reasonable and quite widespread: however, in the author’s knowledge, the literature offers no paper dealing with the demonstration of the method reliability based on experimental evidence. In the present thesis, the intense experimental campaign carried out to validate the method (on a proper specimen) is presented. The method is firstly applied to synthesize a test profile (that is random stationary) having the same duration of the non-stationary environmental vibration. The damage potential of the synthesized vibration is then compared to the environmental vibration one, in terms of the specimen time to failure. Results show that the test profile damage potential is highly overestimated and therefore the equivalence is not respected. Some critical issues are pointed out to try to explain and overcome the high error. The method is applied in many other cases and the final results basically confirm the soundness of the method provided that critical issues are properly accounted and compensated for.

Il concetto di mobiktà sostenibile racchiude gli impegni concreti da assumersi per avviare un processo di reale cambiamento ecologico ed è un argomento di estrema attualità. Il progetto LIBER (Lithium Battery per l'Emilia Romagna), nel quale il presente elaborato si inserisce, nasce con l'intento di contribuire all'attuale transizione ecologica tramite la realizzazione di Battery Pack da impiegare nel settore automotive e movimentazione industriale. In particolare, l'obbiettivo posto a valle dell'elaborato di tesi è la verifica dell'ottemperanza dell'innovativo pacco batteria alle disposizione imposte dalla normativa R 100, che concerne l'omologazione dei veicoli circa i requisiti specifici per il motopropulsore elettrico. L'analisi è stata condotta sottoponendo l'elemento a due delle prove menzionate dalla normativa, il Vibration Test e il Mechanical shock; il primo test è stato eseguito modellando agli elementi finiti il modulo e sottoponendolo, parallelamente, ad una concreta sollecitazione vibrante per mezzo di un esapode, mentre il secondo test è stato condotto esclusivamente in ambito computazionale. Lo sviluppo di entrambe le simulazioni è stato notevolmente agevolato in termini di oneri computazionali dalla semplificazione del modello FEM mediante l'utilizzo di RVE, la cui validità è stata attestata dal confronto con il modello rappresentativo della geometria reale; infatti, i risultati ottenuti garantiscono che la variazione percentuale tra i due modelli dei valori assunti dai modi e dagli spostamenti si attesta attorno al 5%. Il test di vibrazione su esapode ha fornito dei risultati in termini di accelerazione del modulo in risposta ad una forzante, confrontabile con la risposta in frequenza generata dall'approccio simulativo, determinando una conformità tra i valori assunti nei due casi, in corrispondenza della medesima frequenza e validando, quindi, il modello FEM

L’esposizione degli operatori in campo agricolo alle vibrazioni trasmesse al corpo intero, produce effetti dannosi alla salute nel breve e nel lungo termine. Le vibrazioni che si generano sulle trattrici agricole hanno una elevata intensità e una bassa frequenza. Le componenti orizzontali, amplificate dalla posizione elevata della postazione di guida dall’asse di rollio, presentano maggiori criticità per quanto riguarda i sistemi di smorzamento rispetto alle componenti verticali. Queste caratteristiche rendono difficoltosa la progettazione dei sistemi dedicati alla riduzione del livello vibrazionale per questa categoria di macchine agricole. Nonostante l’installazione di diversi sistemi di smorzamento, il livello di vibrazioni a cui è sottoposto l’operatore può superare, in diverse condizioni di impiego, i livelli massimi imposti dalla legge per la salvaguardia della salute. L’obiettivo di questo lavoro è quello di valutare l’influenza dei moti rigidi di una trattrice (beccheggio, rollio e saltellamento) dotata di sospensione assale anteriore, sospensione cabina e sospensione sedile, sul livello vibrazionale trasmesso all’operatore.E’ stata pertanto strumenta una trattrice con accelerometri e inclinometri installati su telaio, cabina e sedile e utilizzata in diverse condizioni di lavoro in campo e di trasporto su strada. Dall’analisi delle prove effettuate emerge che durante il trasporto su strada è predominante l’accelerazione longitudinale, a causa dell’elevata influenza del beccheggio. La sospensione riduce notevolmente il moto rigido di beccheggio mentre l’effetto della sospensione della cabina è quello di incrementare, in ogni condizione di lavoro, il livello di accelerazione trasmesso dal telaio della macchina.
The vibrations transmitted to the driver are dangerous and can cause temporary or permanent injuries. Tractors are characterized by vibrations with high intensity and low frequency. The most critical directions are represented by the horizontal ones because of the high distance from the seat and the tractor rolling axis with respect to the vertical direction. That increase the difficulties in the design of solutions able to reduce the vibration transmitted to the driver. Despite the fitting of different damping systems, the level of vibration to which the operator is subjected, could be over the maximum levels defined into health safe law in different working conditions. The goal of this study is the evaluation of the influence of tractor rigid motions (pitch, roll and bounce) on the vibration level transmitted to the operator and their influence offront axle suspension, cab suspension and suspension seat. To reach this goal, devices as inclinometers and accelerometers were installed on a tractor chassis, cab and seat. The tractor in different working conditions as field and road transport was used. The analysis of the test data shows that the longitudinal acceleration is predominant during road transport, due to the influence of pitch motion. The front axle suspension greatly reduces the pitch while the cab suspension, increases the acceleration level transmitted from the machine frame in every working condition.

L’esposizione degli operatori in campo agricolo alle vibrazioni trasmesse al corpo intero, produce effetti dannosi alla salute nel breve e nel lungo termine. Le vibrazioni che si generano sulle trattrici agricole hanno una elevata intensità e una bassa frequenza. Le componenti orizzontali, amplificate dalla posizione elevata della postazione di guida dall’asse di rollio, presentano maggiori criticità per quanto riguarda i sistemi di smorzamento rispetto alle componenti verticali. Queste caratteristiche rendono difficoltosa la progettazione dei sistemi dedicati alla riduzione del livello vibrazionale per questa categoria di macchine agricole. Nonostante l’installazione di diversi sistemi di smorzamento, il livello di vibrazioni a cui è sottoposto l’operatore può superare, in diverse condizioni di impiego, i livelli massimi imposti dalla legge per la salvaguardia della salute. L’obiettivo di questo lavoro è quello di valutare l’influenza dei moti rigidi di una trattrice (beccheggio, rollio e saltellamento) dotata di sospensione assale anteriore, sospensione cabina e sospensione sedile, sul livello vibrazionale trasmesso all’operatore.E’ stata pertanto strumenta una trattrice con accelerometri e inclinometri installati su telaio, cabina e sedile e utilizzata in diverse condizioni di lavoro in campo e di trasporto su strada. Dall’analisi delle prove effettuate emerge che durante il trasporto su strada è predominante l’accelerazione longitudinale, a causa dell’elevata influenza del beccheggio. La sospensione riduce notevolmente il moto rigido di beccheggio mentre l’effetto della sospensione della cabina è quello di incrementare, in ogni condizione di lavoro, il livello di accelerazione trasmesso dal telaio della macchina.
The vibrations transmitted to the driver are dangerous and can cause temporary or permanent injuries. Tractors are characterized by vibrations with high intensity and low frequency. The most critical directions are represented by the horizontal ones because of the high distance from the seat and the tractor rolling axis with respect to the vertical direction. That increase the difficulties in the design of solutions able to reduce the vibration transmitted to the driver. Despite the fitting of different damping systems, the level of vibration to which the operator is subjected, could be over the maximum levels defined into health safe law in different working conditions. The goal of this study is the evaluation of the influence of tractor rigid motions (pitch, roll and bounce) on the vibration level transmitted to the operator and their influence offront axle suspension, cab suspension and suspension seat. To reach this goal, devices as inclinometers and accelerometers were installed on a tractor chassis, cab and seat. The tractor in different working conditions as field and road transport was used. The analysis of the test data shows that the longitudinal acceleration is predominant during road transport, due to the influence of pitch motion. The front axle suspension greatly reduces the pitch while the cab suspension, increases the acceleration level transmitted from the machine frame in every working condition.

Il lavoro è stato svolto presso IEMCA, azienda attiva nel settore della produzione di caricatori automatici di barre, e si è composto a grandi linee di tre fasi. Nella prima di queste tre fasi è stata analizzata la strumentazione adatta ad eseguire i rilievi di vibrazioni disponibile in azienda con il fine di comprenderne le potenzialità. Questa prima parte del lavoro si è conclusa con il consolidamento di una buona conoscenza del software e dell'hardware a disposizione. Nella seconda fase ci si è concentrati invece sull'elaborazione di un metodo di analisi delle vibrazioni applicabile alle macchine prodotte da IEMCA. A questo scopo si è studiata la macchina denominata Master80Up con il fine di ricavare una procedura di indagine estendibile in futuro anche agli altri sistemi automatici prodotti da IEMCA. La scelta di questo particolare modello è discesa dall'essere in corso di aggiornamento nel momento particolare in cui si è svolto il lavoro. La seconda fase ha visto inizialmente l'elaborazione di un modello fisico della macchina, utilizzato poi nel seguito come supporto all'esecuzione dell'analisi della vibrazione libera della struttura che ha permesso di ottenere una stima qualitativa delle frequenze naturali e dei modi di vibrare del sistema. Nella terza fase infine si è ripetuta la procedura elaborata sulla versione aggiornata della macchina, denominata Master80HD, per verificare gli effetti di irrobustimenti strutturali studiati dall'ufficio tecnico i quali si sono rivelati utili in generale alla riduzione della vibrazione della macchina.

Il lavoro svolto, in collaborazione con “Ducati Motor Holding”, si propone l’analisi, mediante l’applicazione di un software FEM (HyperWorks 9.0), delle strutture rappresentate dall’assieme paracoppa-parasassi e dal silenziatore. Il primo obiettivo consiste nell’ottenimento di un modello agli elementi finiti della struttura. Le simulazioni di calcolo consistono in analisi di tipo dinamico per determinare i modi di vibrare delle strutture. Sulla base di ulteriori simulazioni sulla risposta al transitorio del sistema si è studiato il loro comportamento nelle condizioni di funzionamento. La finalità del lavoro risiede dunque nella determinazione delle criticità strutturali che i componenti hanno manifestato durante prove sperimentali verificandole attraverso calcolo numerico e applicazione delle potenzialità del software applicato, per l’analisi degli aspetti sopra esposti.

Il progetto di tesi, sviluppato in collaborazione con l’azienda Datalogic S.p.A., si è occupato dello studio di un problema vibratorio che sorge in alcuni dei telai di supporto per scanner industriali, installati tipicamente in centri logistici o aeroporti. I modelli FEM utilizzati per l’indagine del problema sono stati verificati tramite analisi di convergenza in funzione della dimensione della mesh e diverse misure sperimentali. Si è prestata particolare attenzione alla modellazione del contatto tra profilati e relativi connettori, fortemente influenzata dalle ipotesi semplificative necessarie per assicurare la linearità del modello. Per validare le scelte di modellazione, si sono ricostruite le accelerazioni modali associate alle vibrazioni libere di una struttura sospesa misurate con un accelerometro triassiale e confrontate con quelle ottenute da analisi FEM della stessa struttura; le limitazioni della strumentazione disponibile hanno comportato qualche difficoltà aggiuntiva in questa fase. Le vibrazioni dei telai sono dovute all’oscillazione della base. Per caratterizzarla, si sono raccolti dati sperimentali presso l’impianto di smistamento pacchi di un cliente dove si sono registrate vibrazioni importanti. Si sono quindi condotte analisi numeriche per verificare la resistenza strutturale degli elementi di connessione attualmente utilizzati, che si sono rivelati essere il punto debole della struttura per le deformazioni flessionali, quindi responsabili delle basse frequenze di risonanza eccitate dall’oscillazione alla base dei telai. Si sono quindi proposte alcune soluzioni alternative per l’irrigidimento della struttura, successivamente analizzate e confrontate per identificare la migliore. La modifica strutturale individuata consente l’allontanamento dalle condizioni di risonanza ed una consistente riduzione dell’oscillazione della struttura a valori. L’ipotesi scelta soddisfa criteri di economicità, semplicità di installazione e flessibilità di utilizzo.

Ricerca di un sistema in grado di ridurre le vibrazioni trasmesse da un sedile di un'auto sportiva al guidatore, a causa delle asperità della strada, tramite lo sviluppo di un sistema di molle ad aria compressa, un sistema di regolazione del sedile e l'utilizzo di materiali innovativi ad elevato comfort.

In questo elaborato si è analizzato un Delta Robot impiegato per operazioni di pick&place di bustine contenenti prodotti per infusione. La principale problematica affrontata è stata la riduzione delle vibrazioni indotte sull'end-effector del Delta Robot durante l'esecuzione del task. A tal fine, si è approcciato il problema riprogettando la traiettoria migliorandone le caratteristiche cinematiche e dinamiche. Si è scritto un tool su MATLAB per la generazione e l'ottimizzazione di traiettorie nello spazio cartesiano. In particolare si è trasformato il problema di ottimizzazione in uno di programmazione non lineare a parametri vincolati, in cui si è usata come funzione obiettivo da minimizzare il massimo del modulo del jerk. Grazie alla nuova traiettoria si è verificato sperimentalmente un calo dell'ampiezza delle vibrazioni di oltre l'80%. Infine si è scritto un ulteriore tool di ottimizzazione dinamica per trovare la miglior posizione di montaggio a telaio del Delta Robot che minimizzasse la coppia massima dei motori per una traiettoria data. Nel Capitolo 2 si studiano le analisi di posizione e di velocità di un Delta Robot, utili alla generazione e ottimizzazione delle traiettorie affrontata nel Capitolo 3. Nel Capitolo 4 si risolve il problema del cambio formato con un algoritmo di generazione delle traiettorie basato sul formato delle bustine. Nel Capitolo 5 si è analizzata una nuova traiettoria di scarto che ha reso necessaria l'implementazione dell'ottimizzazione dinamica che minimizza le coppie ai motori.

L'azienda Mark One S.r.l di Bora Bassa (FC), produttrice di stampanti 3D, si è posta come obiettivo strategico la revisione del design della struttura portante di una delle macchine prodotte, al fine di ridurne il peso per motivi di praticità e logistica. Questa richiesta comporta alleggerire i componenti, variandone il materiale, snellendone la geometria, semplificando il design di alcuni gruppi funzionali; tali modifiche non dovranno compromettere le prestazioni del macchinario né prevedere incrementi eccessivi dei costi di produzione. L’attività descritta in questa tesi è focalizzata sull’analisi del comportamento vibratorio della macchina prima e dopo l’introduzione di alcune modifiche progettuali proposte per ridurne la massa complessiva. In prima istanza, il lavoro svolto è di natura metodologica, finalizzato al trasferimento tecnologico di know-how all’azienda, che non ha, finora, riscontrato la necessità di effettuare studi per l’analisi elastodinamica dei propri prodotti. Partendo dai modelli CAD si sono condotte analisi modali numeriche per calcolare modi propri di vibrare e frequenze naturali. Oltre alla versione attuale della stampante in esame, sono state analizzate le varianti progettuali alternative proposte per soddisfare l’obiettivo fissato. I diversi modelli proposti sono stati confrontati con il modello di stampante attualmente prodotto, sia in termini di riduzione di massa ottenibile che di variazione dei parametri modali della struttura (non ritenendo opportune le modifiche che comportino una riduzione significativa delle frequenze naturali dei modi di vibrare). Il risultato dell’attività svolta è duplice: la definizione di una procedura operativa da seguire in fase di (ri-)progettazione delle stampanti prodotte dall’azienda per lo studio dei loro parametri modali e l'individuazione delle strategie di intervento progettuale più efficaci per limitare la massa delle stampanti senza comprometterne le prestazioni elastodinamiche.

Studio di alcuni dispositivi presenti nelle vetture di formula 1, ma anche in quelle di serie più comuni, per l’ancoraggio e per l’isolamento delle vibrazioni fra componentistiche elettriche e telaio del veicolo. Questi dispositivi, noti come antivibranti (AV), svolgono un ruolo essenziale nel cercare di preservare i dispositivi elettrici: centraline, scatole cablate e connessioni elettriche. Il diffondersi di strumentazione adeguata a costi non più proibitivi ha permesso di studiare più in dettaglio e più scientificamente il comportamento degli AV per sfruttarli al meglio. Obiettivo di questo studio è dare una caratterizzazione scientifica e rigorosa alla maggior parte degli antivibranti presenti in STR7 monoposto Toro Rosso (mondiale di F1 2012), buona parte dei quali verrà utilizzata anche nelle successive vetture. Si volevano, inoltre, sviluppare alcuni modelli che potessero simulare correttamente montaggi di centraline generiche con tutte le diverse tipologie di antivibranti, in modo tale da poter vedere, prima ancora di realizzarli, come si comportavano i sistemi in quelle condizioni e dunque poter apportare modifiche al progetto tali da ottenere la configurazione di montaggio migliore. La continua ricerca di miglioramenti prestazionali che una competizione motoristica ad altissimi livelli richiede, il costante bisogno di alleggerimenti e maggiore affidabilità spingono la ricerca e l'azienda voleva passare da una progettazione basata sulla ripetizione delle configurazioni dimostratesi affidabili nel passato ad una progettazione più tecnica, scientifica e prestazionale. Per una buona caratterizzazione delle proprietà degli antivibranti sono stati progettati specifici test da eseguire al banco vibrante con i quali, lavorando nel dominio delle frequenze, si sono sfruttate le funzioni di risposte in frequenze di ogni antivibrante per ricavare i parametri caratteristici degli stessi nelle varie configurazioni. Con strategie grafiche, numeriche e teoriche si sono ricavati, con buone precisioni, i valori dei coefficienti di smorzamento e di rigidezza che caratterizzano i componenti studiati. Per l’esecuzione di questi test sono stati utilizati tutti gli strumenti messi a disposizione da Scuderia Toro Rosso nel laboratorio per prove vibrazionali recentemente approntato. Per la parte di simulazione numerica invece sono stati sfruttati i risultati ottenuti nella caratterizzazione degli antivibranti per creare programmi in ambiente Matlab che possano simulare il comportamento di generiche centraline montate in generici modi. Risultati di questo studio saranno gli andamenti dei coefficienti di rigidezza e smorzamento dei vari antivibranti nelle diverse configurazioni; inoltre si renderanno disponibili ai progettisti istruzioni e semplici programmi per la valutazione delle scelte fatte al fine di minimizzare le vibrazioni dei dispositivi.

Studio di una lamella di acciaio di dimensioni relativamente ridotte, a cui è incollato un attuatore piezoelettrico che ne causa la vibrazione, sfruttando il fenomeno della risonanza. Tale struttura possiede numerose peculiarità geometriche e di funzionamento che ne determinano il comportamento dinamico. Ci si prefigge l’obiettivo di studiare, con l’ausilio di prove sperimentali, il comportamento vibratorio del sistema, al fine di realizzare un modello agli elementi finiti che ne simuli il funzionamento e che sia impiegabile nella previsione degli effetti di modifiche strutturali e dinamiche.

L’elaborato finale presentato è frutto di un percorso di tirocinio svolto presso IEMCA, divisione del gruppo Bucci Automation SPA, leader mondiale per la produzione di caricatori di barre. Il caricatore di barre è una macchina che viene messa al servizio di un altro macchinario principale (come il tornio) e svolge in maniera completamente automatica le operazioni che altrimenti necessiterebbero dell’intervento umano. L’attività svolta, si inserisce all'interno di un più ampio progetto di collaborazione Bucci-Unibo che ha come obiettivo futuro il re-design di alcuni componenti del caricatore, al fine di renderlo funzionalmente più versatile e adatto ai continui sviluppi tecnologici. Durante l’attività di tirocinio, sono stati eseguiti numerosi test per la misura delle vibrazioni meccaniche che si manifestano in diverse condizioni operative e per differenti configurazioni del caricatore. Dopo una prima fase di apprendimento, l’obiettivo iniziale di questo lavoro era quello di acquisire la necessaria competenza e sensibilità per rendere possibile l'implementazione delle procedure di test e analisi con la dotazione strumentale dell'azienda. Un risultato di valore è stato quello di aver conferito all’azienda uno strumento che potesse essere utilizzato per migliorare e velocizzare l’analisi dei dati al termine di una campagna di acquisizioni. Infatti, date le criticità riscontrate durante le fasi di post-processing da parte del personale aziendale, è stata richiesta la realizzazione di un software che potesse sopperire a tali problematiche. Grazie all’implementazione di tale software, è stato possibile utilizzare con successo la dotazione strumentale dell’azienda per effettuare numerosi test sperimentali e ottenere dei risultati utili in tempi relativamente brevi. Infine, è stato utilizzato un banco prova per simulare il comportamento di barre poste in rotazione a velocità e lunghezze differenti.

Il monitoraggio delle vibrazioni e del rumore per la diagnosi delle condizioni di funzionamento dei macchinari ha acquisito un’enorme importanza dovuta alla sempre maggiore accessibilità, in termini di costo e di facilità di utilizzo, delle strumentazioni per l’acquisizione del comportamento vibratorio. L’investimento viene ampiamente giustificato dai vantaggi sia in termini di efficacia nell’individuazione preventiva di difetti e cause di guasto, che di caratterizzazione oggettiva della qualità di funzionamento della macchina. Il presente lavoro relaziona dell’analisi vibro-acustica applicata ad un riduttore epicicloidale prodotto da STM spa attraverso gli strumenti per l’analisi recentemente introdotti nella sala prove dell’azienda, poichè esso presenta, allo stato attuale di produzione e commercializzazione, una rumorosità troppo elevata di cui non si conoscono le cause. Le modifiche introdotte sono state scelte sulla base dell’esperienza tecnica dell’azienda, con l’intento di ridurre il livello di emissione acustica del riduttore. Gli effetti di tali modifiche sono stati valutati in riferimento ai livelli di emissione acustica e di severità di vibrazione, due valutazioni di tipo globale poi affiancate e confrontate con l’analisi spettrale, allo scopo di giustificare e comprendere meglio i risultati ottenuti.

The topic addressed in this PhD thesis is the development of a rotational Lumped Parameter model to analyze the dynamic behavior of planetary gearbox. This model allows the study of the gearbox torsional vibrations. In particular, the study carried out in this thesis has focused on simple planetary trains, with three planets and an the outer fix ring. Therefore the following five rotational degree of freedom have been taken into account: the sun rotation, the rotation of the three planets and the carrier rotation. In the first part of the work, the attention has been focused on a correct description of the gearbox geometry ( especially on the toothed wheels geometry) and on the operating characteristics, such as pressure angles and center to center distance. The definition of the geometry was then used for the development of a complex finite element model that, combined with an analytical formulation, allows to obtain the meshing stiffness, depending on the operating conditions of the gearbox. This meshing stiffness was used in the lumped parameter model to define the meshing forces, formed from an elastic component and from a viscous damping component. In addition to the meshing forces, the lumped parameter model considers the inertial actions and the external actions given by the driving torque and the resistant torque. From the simulation results it is possible to analyze the instantaneous angular velocity, the instantaneous angular acceleration of all wheels in different operating conditions, the variation of the meshing stiffness and the forces variations during the gearbox operations. The model is ready for an extension to the translational degrees of freedom, for which the formulation has already been developed. After having developed the entire model, some experimental tests were carried out in order to acquire the torsional vibratory signals of the gearbox unit studied. The tests were performed at different rotational speeds and with different torques applied. The experimental signals obtained have been used to validate the theoretical model. Overall, the research activity is scientifically relevant because it allows, through the development of a lumped parameter model, the study of torsional vibrations of planetary gear units. The model includes the most relevant dynamic phenomena involved in the gearbox, thus allowing the evaluation of the forces that mainly determine the vibrational signature of the studied gearbox. For this reason, the model can be considered a useful tool to support the design and prototyping, as it allows to identify the causes of undesirable dynamic effects and allows to evaluate the effect of any design changes on the dynamic behavior of the gearbox.

Nel 2008, due articoli della rivista sportiva “Autosport” rivelarano dettagli di una nuova sospensione meccanica nota con il nome di "J-damper" che era entrata in Formula 1 e che aveva offerto in termini di prestazioni significativi aumenti di maneggevolezza e aderenza. Si trattava di un "inerter", la cui origine sta nel lavoro accademico su circuiti meccanici ed elettrici realizzati dal prof. M. C. Smith. Gli Inerter sono particolari dispositivi meccanici con la proprietà che la forza applicata ai punti fissi, detti terminali, è direttamente proporzionale all'accelerazione. Tale dispositivo ha offerto nuove possibilità per il “controllo meccanico passivo” in una varietà di applicazioni ed è tutt’ora impiegato in F1 e in altre parti del settore automotive ma potenzialmente potrebbe avere molte altre applicazioni. Nel caso dei rotori non vi sono al momento applicazioni, per cui risulta molto interessante capirne le potenzialità. Pertanto l'obiettivo di questa tesi, in parte svolta all'estero presso ISVR della University of Southampton, è stato studiare le performance e la stabilità, tramite modelli matematici e simulazioni numeriche, di un sistema con diverse configurazioni di “inerter”. In particolare, nella prima parte di questa tesi, sono state sviluppate le equazioni della dinamica dei rotori e nella seconda sono stati analizzati sistemi a diversi gradi di libertà e ricavate le frequenze naturali in funzione dell'inertanza. Infine si è realizzato un banco prova per testare il fluid inerter. In questa tesi si è dimostrata la validità delle equazioni della dinamica dei rotori ricavate nella prima parte del lavoro; si è inoltre dimostrato che anche nel caso dei rotori l'inerter abbassa le frequenze naturali del sistema. Infine i risultati sperimentali del Fluid Inerter, ottenuti a diversi valori di ampiezza e frequenza, hanno dimostrato che l'oggetto costruito si comporta effettivamente come un inerter.

La manutenzione predittiva è un elemento chiave dell’industria 4.0. Il monitoraggio in continuo delle condizioni di un asset infatti, si sposa alla perfezione con gli elementi fondamentali di quest’ultima quali Big Data ed Internet of Things. Nonostante la popolarità di cui gode da diversi anni non è facile trovare applicazioni concrete di manutenzione basata su condizione (Condition Based Maintenance CBM), in particolare per il monitoraggio dll’utensile nelle operazioni di broccaitura. Questo lavoro si suddivide in due sezioni principali. Nella prima parte si cerca di riassumere brevemente lo sviluppo delle strategie di manutenzione fino allo stato attuale per poi fornire un quadro della diffusione della manutenzione predittiva in ambito industriale e dei suoi benefici. Nella seconda parte viene presentata un’analisi dei segnali vibratori acquisiti da una macchina utensile per brocciatura ad elevata produttivià, al fine di verificare la fattibilità un sistema che riconosca eventuali danni all’utensile basandosi unicamente sulle vibrazioni.

Con il termine acustica si intende, in generale, lo studio delle vibrazioni meccaniche nei mezzi materiali. Attualmente l’ottenimento di condizioni di benessere all’interno degli ambienti di lavoro è divenuta un’esigenza primaria, che può essere sintetizzata nel concetto di comfort acustico. Per ora, nessun test è in grado di identificare chi è particolarmente suscettibile al danno da rumore, per cui l’unica cosa da fare a tutela delle persone esposte è adattare gli ambienti lavorativi alle norme di sicurezza. Gli effetti dell’eccesiva esposizione al rumore non si traducono, però, esclusivamente in un deficit di natura uditiva: sono documentati casi di effetti sul sistema nervoso, sull’apparato digestivo, endocrino, respiratorio, circolatorio, sul senso dell’equilibrio e del movimento e sul tono muscolare in generale. Il seguente elaborato ha lo scopo di descrivere le modalità e le conseguenze della propagazione del suono nello spazio e di suggerire alcuni provvedimenti per contenerlo, quando necessario. Inizialmente sarà analizzata l’onda sonora dal punto di vita teorico, spiegando le leggi che ne governano la propagazione, e verranno elencati i principali strumenti utilizzati per rilevare le grandezze caratteristiche in gioco. Saranno, poi, riportati gli aspetti più interessanti ed applicativi delle normative di sicurezza, saranno esposte le principali proprietà dei materiali fonoisolanti e fonoassorbenti con i relativi metodi d’installazione e, infine, riporterò un’esemplificativa applicazione sul campo.

This PhD thesis presents a lumped parameter model able to simulate the vibrational behavior of a wide range of variable displacement vane pumps. The vibration analysis of the rotating parts is carried out through a planar model with three degrees of freedom. It takes into account the variability of the pressure loads acting on the rotor shaft, the hydrodynamic journal bearing reactions, the friction due to viscous actions and contact forces, the rotor shaft stiffness and damping, the variation of the pump geometry with respect to working condition and all the inertia actions. In particular, the computation of pressure forces and torques is allowed by the preliminary evaluation of the variable pressure field acting inside the pump, obtained through a model based on an Euler’s approach with 26 control volumes. Thus, the present model makes it possible to define the pressure field acting inside the pump, and calculate the rotor shaft accelerations, as well as the journal bearing reaction forces and the motor drive torque absorbed by the pump in working condition. The test campaign and the validation method are then described: an original assessment technique based on the comparison of pump casing accelerations is proposed. Finally, some important simulation results are reported as an example of application. The main original contribution of this work concerns the development of a nonlinear model of variable displacement vane pumps including all the important dynamic effects in the same model, with the aim at taking into account their iterations. This can be important in order to foresee the influence of working conditions and design modifications on the pump vibrational behavior. In this sense the developed lumped parameter model could be a very useful tool in prototype design, in order to identify the origin of unwanted dynamic effects.

Il seguente lavoro di tesi di laurea è volto ad analizzare la progettazione e la fornitura della strumentazione necessaria a realizzare un sistema di analisi – dei processi e delle emissioni a valle degli stessi – completo, relativo sia a un impianto di produzione di ammoniaca che di urea. Lo scopo è quello di realizzare il progetto in accordo alle specifiche e alle tempistiche richieste dal cliente finale, sfruttando la strumentazione fornita da una società leader mondiale nel campo dell’automazione industriale e della produzione di apparecchi tecnologi per l’analisi continuata di gas. L’elaborato è strutturato in cinque capitoli principali: il primo capitolo, come si può intuire dal titolo, si concentra sulle esecuzioni delle zone dell’impianto di produzione dell’ammoniaca e dell’urea. Il secondo capitolo, invece, si focalizza su una panoramica della strumentazione prevista per le varie analisi; in questa sezione sono descritti tutti gli analizzatori installati e dunque presentate le loro caratteristiche principali, le condizioni operative e le descrizioni abbastanza dettagliate sulla tecnologia adottata da ognuno di essi. Il terzo capitolo presenta i vari layout: dallo shelter alle cabine più piccole, passando per i racks e i box. Mentre il quarto, gli schemi pneumatici dei sistemi di analisi dei campioni, con particolare riguardo verso i sistemi di riduzione di pressione e quelli di condizionamento degli stream. Infine, il quinto capitolo, nel quale sono descritti tutti i calcoli che hanno portato all’ingegnerizzazione dei prodotti e che quindi rappresenta una buona parte delta vera e propria progettazione del sistema di analisi dell’impianto di produzione di ammoniaca e urea. In particolare: valutazione del punto di rugiada, dimensionamento sonde sulla base della resistenza vibrazionale, tempi di trasporto e perdite di carico.

Le misure vibrazionali sono un punto di riferimento nella dinamica strutturale. Lo stesso vale anche per la diagnostica dei guasti e la valutazione della qualità del prodotto in vari campi dell'industria, dalle linee di produzione dei componenti ai prodotti finiti. Queste misure sono solitamente eseguite utilizzando accelerometri piezoelettrici collegati alla struttura in esame. Il collegamento è solitamente realizzato tramite adesivi o cera d'api, magneti o perni filettati. Tuttavia, il processo di installazione di questi sensori può richiedere molto tempo e, in alcuni casi, può essere irreversibile o addirittura non consentito. Le sonde vibrazionali di tipo hand-held sono state ampiamente utilizzate in passato, anche se le loro prestazioni (ad es. gamma di frequenze di lavoro e accuratezza complessiva) risultano inferiori rispetto alle installazioni fisse. Tuttavia, la diffusione dei robot nell'ambito dell'industria 4.0, caratterizzata dall'obiettivo di produzione a zero difetti, ha motivato un nuovo interesse per questo tipo di soluzione. Le sonde di misura vibrazionali tipo hand-held sono costituite da componenti che devono garantirne la linearità entro un determinato intervallo di frequenza e il contatto costante con la struttura in prova. Inoltre, le vibrazioni spurie, dovute alla manipolazione da parte di un operatore umano o di un robot, devono essere evitate introducendo un elemento di disaccoppiamento. Normalmente, vengono impiegati materiali convenzionali come la gomma e il silicone, per via del loro comportamento viscoelastico. Tuttavia, questi materiali possono subire modifiche al loro comportamento dinamico quando soggetti a condizioni ambientali diverse. Lo scopo di questa tesi è dimostrare il vantaggio nell'adottare metastrutture come elementi di disaccoppiamento nelle sonde vibrazionali di tipo hand-held. La metastruttura sviluppata si basa su una ripetizione periodica di celle unitarie caratterizzate da una forte separazione modale. Ne consegue, quindi, un ampio intervallo di frequenze di funzionamento.
Vibrational measurements are a landmark in structural dynamics. This is true also for fault diagnosis and product quality assessment in various fields of industry, from production lines of components to finite products. These measurements are usually performed using piezoelectric accelerometers attached to the structure under investigation. The connection is usually made using adhesive or bees-wax, magnets or threaded pins. However, the process of installing these sensors can be time-consuming and, in some cases, irreversible or even not allowed. Hand-held vibration probes were widely used in the past, even though their performances (i.e. working frequency range and overall accuracy) were lower compared to fixed installations. However, the spread of robots in the framework of industry 4.0, characterized by the zero defect manufacturing target, caused a new interest in this solution. Hand-held vibration measurements probes are made of components that must guarantee linearity within certain frequency range as well as constant contact with the structure being tested. Furthermore, spurious vibrations, due to the handling by a human operator or a robot, need to be avoided introducing a decoupling element. Normally, conventional materials, like rubber and silicon, are exploited, taking advantage of their viscoelastic behavior. However, these materials may undergo changing on their dynamic behavior when subject to different environmental conditions. The aim of this thesis is to demonstrate de advantage of adopting metastructures as decoupling elements in hand-held probes. The design of the metastructure developed is based on a periodic repetition of unit cells characterized by a strong mode separation and, thus, a wide frequency bandgap.

La descrizione e l’abbattimento del rumore entro l’abitacolo di un veicolo rappresenta un aspetto rilevante della delibera dello stesso, tale esigenza è stata enfatizzata di recente a seguito della diffusione di veicoli dotati di power-unit elettriche. La descrizione del rumore richiede la conoscenza della sua sorgente e delle sue modalità di propagazione dalla sorgente sino al ricevente, ovvero sino all’apparato uditivo degli occupanti il veicolo. La propagazione del rumore, in genere, avviene: o per vibrazione dei sottosistemi strutturali del veicolo, che rappresentano la funzione di trasferimento tra sorgente e ricevente, o tramite via aerea. Per conoscere in modo attendibile le caratteristiche acustiche di un veicolo è necessario che siano presenti tutti i componenti caratterizzanti, vale a dire tutti i componenti che determinano il comportamento modale del sistema. Lo studio del rumore avviene sia sperimentalmente, sia attraverso modelli di simulazione CAE applicati ad un veicolo in allestimento Trimmed-Body (TB). Il TB definisce la cavità acustica come il volume d’aria racchiuso all’interno dell’abitacolo in cui si investigano i fenomeni di rumore. Si discretizza la cavità acustica mediante Elementi Finiti solidi e attraverso l’impostazione di analisi multi-fisiche fluido-struttura di risposta in frequenza si ricostruisce l’andamento delle funzioni di trasferimento del rumore (NTF). Da tali analisi è inoltre possibile valutare la partecipazione dei principali componenti vibranti e i relativi modi propri di vibrare percepiti dall’orecchio umano entro la cavità. Si possono quindi dedurre ed implementare opportuni accorgimenti o per la risoluzione di eventuali problemi, o di miglioramento del progetto ove ampi margini di sicurezza siano evidenziati. Durante lo sviluppo di un nuovo veicolo, quindi, le prestazioni acustiche sono note solamente ad uno stadio piuttosto avanzato del progetto, in cui molti componenti del telaio sono di fatto già stati deliberati, e quindi non più modificabili. Qualora, durante campagne sperimentali preliminari, si riscontrino livelli di rumore al di sopra dei target prestabiliti, il margine di modifica progettuale lasciato alla risoluzione di tali problemi risulta quindi esiguo. Inoltre, per la grande complessità del sistema in analisi non risulta immediata l’identificazione delle cause di rumore e quindi talvolta viene investigato mediante l’approccio metodologico di tipo trial-and-error. Questo lavoro di tesi, invece, si pone l’obiettivo di definire una metodologia CAE che riesca a prevedere l’insorgenza di rumore indesiderato e trasmesso per via strutturale sin dalle prime fasi di definizione di un nuovo veicolo, vale a dire in fase di concept del Body-in-White (BiW). Lo studio considera la potenza irradiata (ERP) da componenti che vengono posti in vibrazione come strumento per discriminare i componenti che possono essere maggiore causa di rumore in abitacolo. Il legame tra la vibrazione di componenti strutturali e la perturbazione del campo di pressione del fluido che bagna tali componenti, offre la possibilità di svincolarsi dalla necessità di simulare la cavità acustica e ragionare quindi in termini di ERP e ricavare le funzioni di trasferimento approssimate direttamente da modelli vettura in configurazione BiW. Grazie alla tempestiva identificazione dei componenti problematici, sono proposte tecniche di ottimizzazione numerica volte al conseguimento dei target prestazionali nell’ottica di una diminuzione del tempo richiesto per lo svolgimento dei calcoli se comparata al metodo trial-and-error convenzionalmente applicato. Questa metodologia offre la possibilità di sviluppare un modello TB con un migliorato livello di comfort acustico diminuendo il tempo di sviluppo di un nuovo veicolo.
In recent years, the description and reduction of noise in the passenger compartment have become an increasingly central aspect in the automotive field, especially for the spread of vehicles equipped with electric power units. The description of this dynamic phenomenon requires the identification of the source of the noise and its propagation paths to the receiver, which is usually the ears of the driver and the occupants of the vehicle. Generally, noise propagates either via air, or through the vibration of the vehicle's structural subsystems, which represent the transfer function between source and receiver. All the components that determine the modal behaviour of the system must be included in the simulation model to obtain the acoustic characteristics of the vehicle. Therefore, the study of these phenomena takes place experimentally and through simulation models on a Trimmed-Body (TB). The acoustic cavity may be defined as the air volume within the passenger compartment, in TB configuration of the vehicle. Finite Element analyses consent to reconstruct the trend of the noise transfer functions (NTF) through fluid-structure frequency response analysis. From these analyses, it might also be evaluated the participation factors of the vibrating components with relative modes to the noise at the ear inside the cavity. The results allow the appropriate measures to be devised to solve any noise problem. Thus, in the development of a new vehicle, the noise performance is only evaluated at the final stages of the project, in which many components are already established and no longer adjustable. If noise levels do not meet the desired targets, restricted modifications to the project can be adopted to solve the issues. Furthermore, the identification of the causes of the noise could be a costly process due to the great complexity of the system. This thesis aims to define a CAE methodology that aims to predict problems related to in-borne noise since the earliest stages of development of a new vehicle, i.e., in the definition phase of the so-called Body-in-White (BIW) layout. The proposed study is based on the analysis of the radiated power (ERP) of vibrating components as a tool to discriminate the components likely to cause most of the noise in the passenger compartment. The link between the vibration of structural components and the perturbation of the pressure field of the fluid that wets these components offers the possibility of freeing oneself from the modelling of the acoustic cavity, and approaching the problem in terms of radiated power, therefore simulating approximate transfer functions directly on Body-in-White models. Once the problematic components are identified, numerical optimization techniques are proposed to meet the performance targets, reducing the number of calculations required by conventional methods (e.g. trial and errors loops). The main tool in these analyses is Finite Element Simulation. This methodology offers the possibility of developing a Trimmed-Body model with an improved level of acoustic comfort by reducing the development time of a new vehicle.

La presente tesi affronta il problema delle vibrazioni libere di strutture aventi forma arbitraria e realizzate in materiale composito. In particolare, l’analisi viene condotta attraverso l’utilizzo di una tecnica numerica finalizzata alla risoluzione del sistema di equazioni in forma integrale descriventi l’equilibrio dinamico. In altri termini, viene sviluppata la formulazione debole del problema in parola, relativamente ai casi di piastre e membrane. Il principio variazionale di Hamilton, utilizzato per ottenere le equazioni di equilibrio, viene applicato introducendo un’ipotesi sul modello cinematico: gli spostamenti generalizzati, dunque, sono espressi in funzione di quantità nodali e interpolati per mezzo di polinomi di alto grado. Il sistema così ottenuto viene risolto, all’interno di ciascun elemento, attraverso la tecnica numerica di Quadratura Integrale Generalizzata (GIQ). L’obiettivo, pertanto, è quello di dimostrare la maggiore accuratezza della tecnica presentata rispetto a quanto disponibile nei software commerciali, valutando i parametri che incidono sulla convergenza, sulla stabilità e sull’accuratezza dei risultati. Tutte le applicazioni condotte prevedono il confronto fra differenti tecniche numeriche risolutive: in particolare, la tecnica del GIQ viene accostata alla tecnica della Quadratura Differenziale Generalizzata (GDQ) e al Metodo degli Elementi Finiti (FEM) analizzando, di volta in volta, i risultati ottenuti sulla base del costo computazionale richiesto e in relazione alle caratteristiche di accuratezza, stabilità e velocità di convergenza. Viene inoltre presentata la tecnica del mapping iso-geometrico, utilizzata per descrivere domini irregolari. Tale metodo, attraverso l'impiego delle curve NURBS, utilizzate per descrivere i contorni degli elementi, consente una più agevole fase di modellazione. A tal proposito vengono sottoposte ad analisi piastre e membrane fortemente irregolari e di forma arbitraria.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sullo studio e sullo sviluppo di un metodo di controllo attivo del rumore e delle vibrazioni attraverso sensori e attuatori a film piezoelettrico (patch PZT) e algoritmi in ambiente Labview basati su regolatori PID. A tal proposito sono state analizzate diverse problematiche sui vari aspetti del controllo attivo delle vibrazioni e del rumore, proponendo una metodologia originale, basata sul metodo dei coefficienti di convergenza, per il rilievo di difetti mediante onde ultrasoniche di superficie generate e misurate con patch piezoelettriche. Gli attuatori piezoelettrici sono spesso adoperati all’interno di sistemi complessi per controllare le condizioni di funzionamento. Tali trasduttori sono soggetti a riscaldamento, a causa delle correnti che si muovono al loro interno. Il principale problema può presentarsi in strutture dove l’effetto termico può alterare le corrette operazioni, specialmente quando l’attività dell’attuatore è continua. In questa tesi è stato implementato un modello conduttivo di tipo termo-elettro-meccanico, capace di descrivere il riscaldamento di attuatori piezoelettrici annegati. In particolare esso permette di valutare la temperatura della patch PZT, misurando quelle delle superfici esterne del sistema. Per questo scopo, la distribuzione termica delle facce dell’attuatore è stata acquisita mediante termografia IR e punti rappresentativi sono stati investigati con termocoppie superficiali. Il modello è stato validato analizzando il provino costituito da una struttura polimerica con una patch PZT inglobata. Un modello di misura dell’incertezza è stato calcolato per mettere in evidenza le variabili più rilevanti ed è stato presentato il caso studio di una patch PZT, annegata all’interno di un pannello in composito. I sensori piezoelettrici sono dispositivi in grado di percepire lo stato vibrazionale di strutture più o meno complesse. Le loro caratteristiche intrinseche devono mostrare adeguatezza nell’acquisire correttamente i segnali da misurare, per cui risultano fondamentali la loro posizione, le loro dimensioni, il loro peso ed in generale le caratteristiche meccaniche ed elettriche utili alla loro funzione. Nella maggior parte dei casi tutto è finalizzato alla rilevazione della risonanza della struttura in esame. Questa rappresenta certamente l’effetto principale da eliminare per ottenere un corretto controllo di vibrazione e rumore, tuttavia può essere fruttata per giungere a risultati vantaggiosi. Molti dispositivi piezoelettrici sono in grado di adoperare la vibrazione per produrre energia elettrica. Tale tecnica è chiamata Energy Harvesting (EH) e si basa sulla generazione di piccole potenze elettriche, mediante l’utilizzo di fenomeni dovuti ad interazioni indirette sistema-harvester. In tal maniera è possibile posizionare un elemento piezoelettrico su un sistema vibrante e sfruttare la vibrazione prodotta per innescare la risonanza ed in modo passivo sviluppare corrente e tensione. In questo lavoro di tesi sono stati caratterizzati un generatore piezoelettrico risonante a sbalzo (RPG), in grado di operare in configurazione d31 ed un circuito di raddrizzamento e di regolazione (RRC) ad esso collegabile. I comportamenti elettrici e vibrazioni sono stati indagati attraverso prove di laboratorio per evidenziare la potenza massima generabile, i parametri dinamici, il campo di deformazione associata, l'efficienza dell’RPG ed i tempi di carica e scarica dell’RRC. I risultati mostrano che esiste una potenza ottimale per un carico specifico ed essa si massimizza in corrispondenza della frequenza di risonanza. Infatti in queste condizioni meccaniche, la potenza si accresce di diversi ordini di grandezza e vantaggi simili sono ottenuti nell’efficienza. Gli stessi sono stati raggiunti impiegando l’RCC, incrementando i tempi di funzionamento. L'obiettivo principale di questo studio è quello di migliorare le prestazioni di un tradizionale risuonatore piezoelettrico a sbalzo e verificarne la fattibilità per casi reali. Il controllo attivo del rumore e delle vibrazioni è stato messo a punto avvalendosi dei sensori e degli attuatori piezoelettrici precedentemente studiati, al fine di creare un sistema automatizzato in grado di sopperire all’obiettivo attraverso implementazione software. L’architettura hardware è stata facilmente impiantata su una semplice struttura, incollando i trasduttori sulle sue superfici. In seguito questi sono stati collegati ad un sistema di acquisizione/ controllo/generazione dei segnali di vibrazione. In ambito software sono stati sviluppai applicativi, utilizzando LabVIEW™, in grado di attuare opportune strategie di condizionamento dei segnali, avvalendosi del principio di sovrapposizione degli effetti. L’obiettivo del lavoro è quello di ridurre le vibrazioni alla risonanza, acquisendo i segnali e generando onde uguali e contrare, quindi con stesso modulo e opposta fase, permettendo di approntare la cosiddetta sovrapposizione distruttiva, prodotta attraverso controllo ad anello chiuso. L’ultima parte di questa tesi è incentrata sul proporre l’uso delle patch piezoelettriche come sensori ed attuatori attraverso la tecnica del Match Coefficient Approach (MCA) per l’identificazione di difetti prossimi alla superficie di strutture metalliche. Il setup utilizzato per l’applicazione di questa innovativa metodologia coincide con quello adoperato per il controllo attivo delle vibrazioni e del rumore; di conseguenza esso permette ambivalentemente di svolgere monitoraggio strutturale e controllo attivo. In questo caso è stato fatto uno studio preliminare con il quale è stato proposto un algoritmo in ambiente Matlab™ per applicare lo schema di ricostruzione delle immagini attraverso Synthetic Aperture Focus (SAF), opportunamente modificato mediante la tecnica del Matched Field Processing (MFP), utilizzata per la localizzazione delle sorgenti acustiche per emissioni subacquee e dei terremoti. Per verificare l’efficienza della proposta è stato studiato il caso di una piastra sottile metallica con fori, spallature e difetti su cui sono stati incollati trasduttori piezoelettrici allo scopo di identificare tali disuniformità della superficie.