Academic literature on the topic 'INDIRIZZO INGEGNERIA MECCANICA'

2013/2014
Negli ultimi anni le tecniche di idrodinamica numerica CFD hanno permesso di effettuare simulazioni al computer riguardanti l’ interazione tra solidi e fluidi. L’utilizzo dei software CFD permette una simulazione assolutamente realistica dei fenomeni idrodinamici, permettendo al progettista/programmatore di analizzare in tempi relativamente brevi molteplici soluzioni, onde sceglierne la migliore e di conseguenza molteplici macro o micro modifiche sulla carena prescelta, per valutarne l’impatto in termini di resistenza al moto, assetto, tenuta al mare, comfort. Negli ultimi anni si è visto un crescente utilizzo di algoritmi matematici di ottimizzazione multiobiettivo associati a modellatori 3d parametrici e successivamente a solutori CFD BEM a potenziale. Tali applicazioni tipicamente consentono di trovare le forme ottimali che, nel rispetto dei vincoli imposti, generino la minima resistenza d’onda ad una o più determinate velocità. Associare un processo di ottimizzazione ad un solutore viscoso RANS consente invece, conoscendo una moltitudine di parametri fisici in più, di ottimizzare seguendo più obiettivi ed in particolar modo la capacità di poter valutare l’effetto dell’attrito consente di poter ottimizzare le forme al fine di ridurre la resistenza totale all’avanzamento. Fino a ieri però un processo di ottimizzazione associato a simulazioni CFD RANS, se pur teoricamente possibile, era di fatto raramente utilizzato in quanto sconveniente a causa dell’enorme mole di calcoli da eseguire per valutare la bontà di centinaia di soluzioni diverse, rendendo troppo lungo ed oneroso il processo. Minimizzando il numero di celle computazionali riducendo così i tempi ei costi di simulazioni in ogni caso risultati adeguati, si dimostra come il modo simulazioni RANS viscosi saranno molto più utili rispetto a potenziali metodi BEM . Scopo infatti di questo lavoro è stato quello di associare un processo di ottimizzazione di carena basato sulla riduzione della RESISTENZA TOTALE ALL’AVANZAMENTO valutata attraverso l’utilizzo di simulazioni CFD RANSE eseguite con un dominio di calcolo a basso numero di celle. Tale dominio di calcolo deriva dall’accurato sviluppo di una procedura standardizzata che permette di eseguire simulazioni RANSE con una griglia standard che garantisce la bontà del risultato anche se “COARSE”. La presente trattazione oltre a fornire una panoramica sullo stato dell’arte in letteratura, presenta lo sviluppo di una metodologia atta ad eseguire simulazioni a basso numero di celle in maniera standardizzata, sviluppando tre tipi di meshatura standard, suddividendo le carene da studiare in tre differenti famiglie raggruppate per similitudine di geometrie e velocità di funzionamento e pertanto accomunate da una similare formazione ondosa : Round Bilge Displacement Hull, Round Bilge and Hard Chine Semiplaning Hull (Single and Multi-Hull), Hard Chine Planing Hull. Si è successivamente passati alla determinazione dei metodi di ottimizzazione investigando le potenzialità ed i limiti dei diversi metodi noti per eseguire ottimizzazioni multi-obiettivo, compreso il metodo „Sherpa“ basato su un robusto algoritmo combinato e progressivo finalizzato al raggiungimento della soluzione ottima riducendo automaticamente il numero di casi da simulare. Il processo di ottimizzazione in oggetto è stato applicato ad una innovativa carena semi-planante a spigolo dotata di bulbo prodiero a lama: si è partiti da una carena di base che soddisfaceva tutti i requisiti di progetto e, nel rispetto dei vincoli imposti, parametrizzata la carena ed impostati i set-up di calcolo, al termine dell’ottimizzazione si è ottenuta la geometria ottimale della stessa al fine della riduzione della resistenza totale a due differenti velocità (crociera e massima). Al termine delle attività si è proceduto con l’esecuzione di test in vasca navale su modello in scala per validare i risultati ottenuti per via numerica. La possibilità di ottenere simulazioni viscose con domini “standardizzati” a basso numero di celle permette l’analisi comparativa di molteplici soluzioni progettuali contenendo tempi e costi e con la certezza che i risultati siano realistici ed affidabili. L’innovativa standardizzazione studiata permette inoltre una riduzione del tempo di preparazione del set-up permettendo all’operatore di lanciare una simulazione su una nuova carena in pochi minuti, senza dover effettuare laboriose meshature ad-hoc e controlli di grid-independence dei risultati. L’utilizzo di queste griglie standard permette inoltre, come spiegato, di utilizzare le simulazioni CFD RANSE anche per eseguire ottimizzazioni multi-obiettivo riguardanti, per esempio, la riduzione della resistenza totale all’avanzamento. Senza griglie di questo tipo, raffinate ottimizzazioni basate su solutori viscosi sarebbero spesso antieconomiche. Difatti i risultati cui il presente lavoro è pervenuto riguardano un sensibile abbattimento dei tempi di calcolo necessari all’esecuzione di un’ottimizzazione morfologica di carena basata sulla minimizzazione della resistenza a due differenti velocità: in meno di 700 ore di calcolo con un tradizionale server a 12 core, ovvero in circa 80 ore utilizzando un centro di calcolo a 100 core, si riescono ad ottenere risultati importanti validi per fare delle valutazioni in senso assoluto sulla potenza necessaria all’imbarcazione per raggiungere le velocità prestabilite. Una procedura di questo tipo permette da una parte la possibilità di lavorare sulla resistenza totale o su altre quantità fisiche espresse dal solutore RANSE, dall’altra per la sua velocità e la sua semplicità d’utilizzo, consente l’avvicinamento alla CFD anche a progettisti di piccole imbarcazioni che fino ad oggi per problematiche di tempo e di budget non potevano approcciare ad una tecnologia così raffinata per progettare le loro carene. Difatti in un prossimo futuro l’utilizzo diffuso di tecniche di ottimizzazione o anche semplicemente di comparazione ed analisi di carene destinate ad imbarcazioni grandi e piccole, potrà contribuire in maniera significativa al risparmio di Potenza motrice installata a bordo (es. Grazie alla riduzione della resistenza totale), consentendo da una parte risparmi economici di carburante e dall’altra, soprattutto, una riduzione delle emissioni nocive in atmosfera.
In recent years, the techniques of numerical hydrodynamic CFD allowed to perform computer simulations on the interaction between fluids and solids. The use of CFD software allows an absolutely realistic simulation of hydrodynamic phenomena, enabling the designer to analyze several solutions relatively quickly, in order to choose the best hull and therefore various macro or micro changes on the hull chosen, in order to evaluate its impact in terms of resistance, trim angle, seakeeping, comfort. In recent years we have seen an increasing use of mathematical algorithms for multi-objective optimisation related to 3D parametric modelers and then to potential CFD BEM solvers. Typically these applications allow you to find the optimal shape that, while respecting the constraints imposed, generate the minimum wave resistance to one or more certain speeds. The association of optimisation processes to a viscous RANSE solver enables to optimize following more targets, knowing a multitude of physical parameters in addition. In particular, the ability to assess the effect of friction on the hull’s shape, in order to reduce the total resistance. Until yesterday, however, an optimisation process associated with CFD RANSE simulations was in fact rarely used in the industrial sector, because it was considered quite inappropriate though theoretically possible. It was due to the large amount of calculations to be performed to evaluate the goodness of hundreds of different solutions, making the process too long and expensive. The present work demonstrates how viscous RANSE simulations methods can be easily used through number of computational cells minimization and the consequent reduction of time and costs of simulations. Indeed, the aim of this work has been to associate an hull optimisation process based on the reduction of total resistance, evaluated through the use of CFD RANSE simulations performed through computational domain with low number of cells. This calculation domain derives from the accurate development of a standardized procedure which allows to make RANSE simulations with a standard grid ensuring the accuracy of the result even if "COARSE". The present research, as well as providing an overview of the state of the art in literature, shows the development of an innovative methodology able to perform simulations with low number of cells in a standardized way, developing three types of standard meshing, dividing the hulls to be studied in three different families grouped by similarity of geometry and operation speed and having therefore in common a similar wave pattern: Round Bilge Displacement Hull, Round Bilge and Hard Chine Semiplaning Hull (Single and Multi-Hull), Hard Chine Planing Hull. The work subsequently involved the determination of the methods of optimisation investigating potentiality and limits of several already known methods to perform multi-objective optimisation, including the "Sherpa" one, based on a robust combined progressive algorithm aiming to achieve the optimal solution, automatically reducing the number of cases to be simulated. The optimization process has been applied to an innovative semi-planing hard-chine hull with blade bulbous bow: the process started from a basic hull matching all the project requirements and, respecting the imposed constraints, the hull has been parameterized and the calculation set-up has been established. At the end of the optimisation , the best hull geometry has been obtained in order to achieve the reduction of the total resistance at two different speeds (cruise and maximum). At the end of these activities, a towing tank tests on a scale model was carried out in order to validate the results numerically obtained. The chance to get viscous simulations with "standardized" domains with low number of cells allows comparative analysis of multiple design solutions by reducing time and cost, with the certainty that the results are realistic and reliable ones. The innovative process of standardization also makes a reduction in the time of preparation of the set-up allowing the operator to run a simulation on a new hull in a few minutes without having to make laborious ad-hoc meshing activities and grid-independence controls of results. The use of these standard grids also allows, as already said, the use of CFD RANSE simulations also to perform multi-objective optimizations relating to, for example, the reduction of the total resistance. Without such kind of grids, fine optimization based on viscous solvers would be often uneconomical. In fact, these work’s results concern a significant reduction in computation time necessary for the execution of a morphological hull optimization based on the resistance minimization at two different speeds. In less than 700 hours of calculation with a traditional 12 core server, or in about 80 hours using a to 100 cores computer-center, it is possible to achieve important results available to give some absolute assessments on the necessary power to the hull to reach the target speeds. A procedure like this, on one side, allows the opportunity to work on the total resistance or other physical quantities expressed by the RANSE solver, on the other side - thanks to its speed and its simplicity of use - enables the approach to the CFD also for small boats’ designers who, due to lack of time and budget, could not approach to a so refined hulls designing technology, up to now. In the near future the widespread use of optimization techniques, or even just comparative and analysis ones on hulls for large and small boats, will be able to significantly contribute to save engine power installed on board (i.e. by reducing the total resistance), allowing both economic fuel savings and, above all, a strong toxic emissions reduction in the atmosphere.
XXVII Ciclo
1984

2013/2014
Il continuo aumento della richiesta di energia elettrica e la conseguente crescita dei valori di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre crea sempre più la necessità di attuare modifiche sostanziali non solo nei metodi di produzione dei settori energetico e industriale, ma anche nella vita di ogni abitante del pianeta. Questa tesi analizza la possibilità di utilizzare l'energia solare per la produzione di acqua fredda grazie alla contemporaneità tra la disponibilità di energia rinnovabile e la richiesta di raffrescamento durante il periodo estivo. Due diversi impianti sperimentali, dotati di collettori solari a tubi evacuati commerciali e chiller ad adsoprbimento di piccole dimensioni (20 kW), sono stati monitorati ed i primi risultati sperimentali sono presentati in questo studio. Per studiare soluzioni diverse e trovare un design ottimale, un modello di simulazione dinamica è stato creato e testato utilizzando il software commerciale TRNSYS 17.
XXVII Ciclo
1984

2013/2014
This research is focused on the condition monitoring of electrical machines and its long term purpose is to monitor electrical and mechanical faults at the same time, in non-stationary conditions (variable load and speed), with a single piece of hardware. The Instantaneous Angular Speed (IAS) measurement of an electrical machine is proposed and analysed in order to detect the fault development inside it. Chapter 1 introduces some basic principles about the maintenance of an electrical machine. Machine unscheduled downtimes are frequently caused by bearing faults, and rotor/stator faults. Monitoring systems are needed when the machine is very important for the plant (cost, safety). In this chapter, the electrical machine’s behaviour is also examined. Induction electrical machines have been chosen for this research. A review of the excitation frequencies is reported in the chapter. In the last section, characteristic fault frequencies (from mechanical and electrical sources) are collected. Chapter 2 presents the IAS measurement and its signal processing. The IAS is the measurement of the shaft rotating speed in order to visualize what’s happening during a single or in multiple turns. There are many measurement methods which are based either analogical to digital conversion or which use counters. Analogical to digital methods use a standard data acquisition board. Counter methods have to use specific hardware that is more expensive, but with less data to store. In this research, the counter method is used, combined with the Elapsed Time (ET) counting technique. Chapter 3 describes the encoder system. Its output signal is acquired with an oscilloscope and with the counter board. The signal’s differences are highlighted. In this chapter, the measurement’s source of errors are listed: the encoder’s geometrical error, the counter’s quantization error, the clock stability and the general electrical noise. Chapter 4 collects all the experimental tests done during the PhD research. Three experimental test rigs are shown and two measurements at Nidec ASI S.p.A. are reported. Note that the experimental test rigs were designed and built at the Università degli Studi di Trieste during the three years of the PhD. Experimental Test Rig 1 (ETR1) is used to understand the electrical motor’s behaviour with varying speed, the difference between the IAS and the speed acquired with the Torsional Laser Vibrometer, the difference between the IAS and the acceleration signal measured with an accelerometer located on the motor’s stator, the effect of the unbalance in the IAS measurement. Experimental Test Rig 2 (ETR2) allows to examine the load effect on the IAS measurement, the magneto-motive force harmonics, the slip and the rotor effects. Experimental Test Rig 3 (ETR3) is designed in order to detect the Inner Race Bearing Fault (Ball Pass Frequency Inner - BPFI) with varying load. The acceleration, the voltage and the current are compared with the Instantaneous Angular Speed. The motor is also tested with an unbalanced power supply. The two measurements at Nidec ASI S.p.A show how the IAS measurement could be implemented in an industrial machine larger than the one tested in the laboratory. This research presents the pros and cons of the IAS measurement, highlighting the capability of detecting BPFI bearing fault, feeling the load variations owing to the brake system (a synchronous generator), measuring the Fundamental Train Frequency of an healthy bearing, detecting unbalance in the rotor and other special features. The author would like to thank the Fondo Sociale Europeo, the Regione Friuli Venezia Giulia and Nidec ASI S.p.A (an electrical motor company) for the sponsorship and the collaboration during the three PhD years covered by the SHARM project ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
Questo studio è focalizzato al monitoraggio dello stato di salute delle macchine elettriche con l'obbiettivo finale di monitorare danni meccanici ed elettrici, in condizioni non stazionarie (carico e velocità variabili), con un singolo sistema hardware. Viene quindi proposta ed analizzata la misura della Velocità Angolare Istantanea (Instantaneous Angular Speed - IAS) di una macchina elettrica allo scopo di prevedere l'insorgere di guasti al suo interno. Il Capitolo 1 introduce i principi base relativi alla manutenzione di macchine elettriche. Di frequente, le fermate non programmate sono conseguenti a danni su cuscinetti e su rotore/statore. I sistemi di monitoraggio sono indispensabili quando la macchina è molto importante nel contesto dell'impianto, considerazione esaminata sia dal punto di vista del costo che della sicurezza. In questo capitolo, viene analizzato anche il funzionamento della macchina elettrica. Dopo un'attenta valutazione, per lo sviluppo di questa ricerca sono state selezionate le macchine ad induzione asincrone. Nel capitolo è riportata anche un'analisi bibliografica sulle frequenze caratteristiche delle forzanti elettromagnetiche presenti. Nell'ultima sezione vengono elencate le frequenze tipiche dei danni rilevabili in misure di tipo vibrazionale ed elettrico. Il Capitolo 2 presenta la misura IAS. Questa rappresenta la misurazione della velocità di rotazione dell'albero e viene analizzata con accuratezza, individuando la relazione tra velocità di rotazione e le caratteristiche dell'encoder; inoltre vengono descritti i vari processamenti del segnale. Tale sistema permette di visualizzare ciò che sta accadendo alla macchina durante il suo funzionamento, in una o più rotazioni. Esistono metodi di misura basati o sulla conversione analogico-digitale o che prevedono l’impiego di contatori. I primi si servono di una scheda di acquisizione dati standard, mentre i secondi richiedono l'utilizzo di un hardware specifico, che alle volte può risultare più costoso, ma permette di acquisire i dati occupando una quantità inferiore di memoria. In questa tesi si è scelto di utilizzare un contatore per eseguire la misura IAS, sfruttando il conteggio Elapsed Time (ET). Il Capitolo 3 descrive l'encoder. Il segnale in uscita dal dispositivo viene acquisito con una scheda contatore e con un oscilloscopio in modo da confrontare ed analizzare le differenze presenti. In questo capitolo vengono elencate le tipologie di errore presenti nel sistema encoder: l'errore geometrico, l'errore di quantizzazione, l'errore dovuto alla stabilità del clock interno e l'errore dovuto a fonti esterni di rumore elettrico. Il Capitolo 4 raccoglie tutti i test sperimentali condotti durante il dottorato. Sono stati progettati e costruiti tre setup allo scopo di evidenziare particolari aspetti e problematiche; sono riportate anche due misure eseguite presso la sala prove dell'azienda Nidec ASI S.p.A. Il setup Experimental Test Rig 1 (ETR1) è stato utilizzato per conseguire le seguenti finalità: capire il funzionamento del motore elettrico con velocità variabile, analizzare la differenza della velocità acquisita con un torsiometro laser ed una scheda contatore, confrontare una misura vibrazionale (accelerometro posizionato sullo statore del motore) e la misura IAS, analizzare l'effetto dello sbilanciamento sulla misura IAS. Il setup Experimental Test Rig 2 (ETR2) permette di esaminare l'effetto del carico sulla misura IAS, le armoniche della forza elettromotrice, l'effetto dello slip e del rotore. Il setup Experimental Test Rig 3 (ETR3) è progettato in modo da evidenziare un difetto sulla guida interna di un cuscinetto, considerando anche un carico variabile. L'accelerazione, il voltaggio e la corrente sono confrontate con la Velocità Angolare Istantanea. Il motore viene testato anche applicando una tensione di alimentazione sbilanciata. Le due misure rilevate in Nidec ASI S.p.A dimostrano che la misura IAS può essere implementata in macchine industriali di grandi dimensioni e non solo nei setup di laboratorio. Questa ricerca espone gli aspetti positivi e negativi della misura IAS, evidenziando le capacità di individuare un danno sulla guida interna di un cuscinetto, captare le variazioni di carico prodotte dal freno (un generatore sincrono), misurare la Fundamental Train Frequency di un cuscinetto in buona salute, individuare uno sbilanciamento ed altre funzionalità. L'autore vuole ringraziare il Fondo Sociale Europeo, la Regione Friuli Venezia Giulia e l'azienda Nidec ASI S.p.A (produttore di macchine elettriche di medio-grandi dimensioni) per la sponsorizzazione e la collaborazione durante i tre anni di dottorato previsti dal progetto SHARM ”Manutenzione Preventiva Integrata”.
XXVII Ciclo
1983

2013/2014
The numerical simulation of wake and free-surface flow around ships is a complex topic that involves multiple tasks: the generation of an optimal computational grid and the development of numerical algorithms capable to predict the flow field around a hull. In this work, a numerical framework is developed aimed at high-resolution CFD simulations of turbulent, free-surface flows around ship hulls. The framework consists in the concatenation of “tools” in the open-source finite volume library OpenFOAM®. A novel, flexible mesh-generation algorithm is presented, capable of producing high-quality computational grids for free-surface ship hydrodynamics. The numerical framework is used to solve some benchmark problems, providing results that are in excellent agreement with the experimental measures.
XXVII Ciclo
1981

2013/2014
Durability and cost are the major limiting factors in current PEM fuel cells development and commercialization. Electrocatalyst materials are the main responsible of both cost of the entire fuel cell stack and its degradation during operation [1,2]. In this research durability and degradation have been investigated in high temperature PEM fuel cells (HT-PEMFCs). Specific diagnostic techniques have been studied and tested for the investigation of electrocatalyst structural properties. An experimental sensibility analysis has been carried out with the purpose to assess advantages and limitations of the use of cyclic voltammetry to determine the electrocatalyst ECSA in H3PO4/PBI high temperature PEM fuel cells. Small angle x-ray scattering (SAXS) has been used to obtain structural information of the electrocatalyst nanoparticles, such as size and distribution. A procedure to characterize HT-PEMFCs MEAs by means of SAXS has been developed and tested. Transmission electron microscopy (TEM) is a complementary technique to SAXS: it has been used to validate the diagnostic method and to compare the results. Electrocatalyst evolution during long-term operation has been studied and related with performance loss. Specific stress test protocols have been developed to accelerate electrocatalyst degradation in commercial HT-PEMFC MEAs operated in single cell configuration. Two MEAs have been subjected to load cycling and one to start/stop cycling. One of the two testing protocols based on load cycling included open circuit (OC) condition in each cycle with the purpose to study the effects of frequent and short OCs during operation on MEA durability and electrocatalyst evolution. Specific start-up and shutdown procedures have been used in the start/stop test in order to limit other degradation mechanisms. Cell voltage and polarization curves have been recorded to monitor cell performance during the durability tests. The electrocatalyst structural evolution induced by load cycling has been characterized with SAXS and TEM. The stress test protocols have been effective to accelerate performance and electrocatalyst degradation of the MEA. The voltage decay rate at 200 mAcm-2 was higher than 25 μVh-1 in the samples subjected to load cycles. The start/stop cycling caused a performance degradation of 18 μV/cycle at 222 mAcm-2 during the first 450 cycles of the test. Regarding the diagnostic techniques used to characterize the electrocatalyst, cyclic voltammetry (CV) seems not to be particularly reliable when performed at high temperatures (>100°C) due to the high dependence of the voltammogram shape to humidity conditions. SAXS, on the other hand, seems to be an effective tool to investigate structural properties of PEMFC electrocatalysts. SAXS analysis showed that after 100,000 load cycles the mean size of the platinum nanoparticles more than doubled. TEM results varied about 30% from the SAXS results: this divergence could be due to a very different population size of the nanoparticles that have been analysed in the two methods. Moreover, the preparation of the sample used in TEM may have strongly influenced the electrocatalyst structure. Finally, a visualization of the electrocatalyst structural evolution on large areas of the MEAs subjected to load cycling showed preferential directions of the particles growth that could be due to the position of the channels on the flow-field plates of the fuel cell.
XXVII Ciclo
1987

2013/2014
Gli alti livelli di comfort che sono richiesti oggigiorno a bordo di navi da crociera e mega-yachts, portano i progettisti a concentrare la loro attenzione sul problema del rumore strutturale. I motori diesel quattro tempi che sono installati a bordo nave come motori principali o diesel generatori, sono tra le principali sorgenti di rumore strutturale. Per questa ragione, al fine di ridurre l’energia vibrazionale generata da queste sorgenti e trasmessa, tramite le strutture nave, ai locali alloggio, i motori diesel sono sospesi mediante elementi resilienti. Tali elementi resilienti disaccoppiano la sorgente di rumore e vibrazioni (motore diesel) dal mezzo di propagazione (le strutture nave) e isolano dunque la sorgente dalle strutture riceventi. I livelli di rumore strutturale misurati alle fondazioni del motore diesel dipendono dai livelli di velocità misurati sulla sorgente (cioè ai piedi del motore diesel), dai livelli di impedenza meccanica degli elementi resilienti e dai livelli di mobilità meccanica delle fondazioni del motore diesel. Il single-point approach è un approccio semplificato per la previsione dei livelli di rumore strutturale che trascura l’interazione tra elementi resilienti. Secondo tale teoria, al fine di ridurre il rumore strutturale trasmesso attraverso gli elementi resilienti alle strutture nave, si deve ridurre l’impedenza meccanica degli elementi resilienti così come la mobilità meccanica delle fondazioni del motore diesel. In altre parole, si devono aumentare la rigidezza dinamica degli elementi resilienti così come l’impedenza meccanica delle fondazioni del motore diesel. Ad oggi, l’impedenza meccanica degli elementi resilienti può essere ricavata solo mediante prove sperimentali in laboratorio, mentre la mobilità meccanica del motore diesel è solitamente misurata quando la nave è in costruzione. Dunque non vi è la possibilità di predire, in fase progettuale, il rumore strutturale dovuto ai motori diesel. In questa tesi, viene presentata una procedura per la simulazione del rumore strutturale dovuto a motori diesel marini. La procedura si basa su test sperimentali e simulazioni numeriche. Nella prima parte della tesi sono richiamate le basi teoriche necessarie per l’esecuzione delle procedure numeriche e delle prove sperimentali. Sono dunque presentati i risultati delle analisi numeriche per simulare la mobilità delle fondazioni dei motori diesel marini. I risultati delle analisi FEM sono stati validati mediante confronto dei risultati delle analisi numeriche con i dati ottenuti da una campagna di misure eseguite a bordo nave. Successivamente sono presentati i risultati di una serie di prove eseguite per collaudare una nuova macchina sperimentale per misurare l’impedenza meccanica degli elementi resilienti. Lo scopo del collaudo era definire una procedura per l’utilizzo della macchina e per l’esecuzione di prove sperimentali in accordo alla ISO 10846, che è considerata normativa di riferimento per questo tipo di prove. Si è dunque proceduto con l’esecuzione di prove sperimentali eseguite su un elemento resiliente per motori diesel marini. Le prove sono state eseguite a differenti carichi statici. I risultati di queste prove sperimentali sono stati utilizzati per settare un modello numerico che simuli il comportamento non-lineare del componente in gomma del resiliente. I risultati ottenuti sia dalle prove sperimentali sia dalle simulazioni numeriche sono stati utilizzati per predire il rumore strutturale generato dai motori diesel, in accordo al single-point approach. I risultati ottenuti dall’applicazione del metodo sono stati confrontati con misure eseguite a bordo e sono stati discussi per evidenziare vantaggi e svantaggi dell’applicazione del metodo. Le procedure numeriche per la simulazione del comportamento dinamico del resiliente e della fondazione costituiscono un primo passo per l’ottimizzazione del sistema di isolazione del motore diesel marino.
The high level of comfort that is required today on board cruise vessels and mega-yachts, leads the designers to focus their attention on structure-borne noise issues. Four-stroke diesel engines that are installed on board as main diesel engines for the propulsion system and as gen-sets, are usually the main sources of structure-borne noise. For this reason, the diesel engines are usually resiliently mounted in order to reduce the vibration energy generated by these sources and transmitted through the ship structures to the accommodation areas. These mounts decouple the noise and vibration source (diesel engine) from the means of wave propagation (ship structures) and so, they isolate the source from the receiving structures. The structure-borne noise levels measured at the diesel engine foundation depend on the velocity levels measured at the source (diesel engine feet), on the mechanical impedance levels of the resilient mounts and on the mechanical mobility levels of the diesel engine foundation. The simplified theory of the single-point approach neglects the interaction among the resilient mounts. According to this theory, to decrease the structure-borne noise transmitted through the resilient mounts towards the ship structures, the mechanical impedance of the resilient mounts as well as the mechanical mobility of the diesel engine foundation are to be lowered. In other words the dynamic stiffness of the resilient mounts has to be decreased and the mechanical impedance of the diesel engine foundation has to be increased. To date, the mechanical impedance of real resilient mounts can only be obtained by laboratory tests and the mechanical mobility of the diesel engine foundation is usually measured when the ship is under construction, so it is not available for predictive analyses. In the thesis, a procedure for simulating the structure-borne noise generated by marine diesel engine is discussed. The procedure is based on both experimental tests and numerical simulations. In the first part of the thesis, some notes on the theoretical background are presented. Then, the results of FE analyses for simulating the mechanical mobility of a diesel engine foundation are shown. The FE models have been validated by the results of a measurement campaign carried out on board a ship. Then, the results of a series of tests performed to tune a new test rig, designed and built up at the University of Trieste for measuring the mechanical impedance of resilient mounts, are discussed. The campaign for tuning the test rig has been carried out in order to set an experimental procedure that allows achieving results in compliance with the ISO 10846 Standard, which is a sound reference for this kind of tests. As a case study, a large resilient mount for marine diesel engines has been tested to achieve its mechanical impedance curve at different static pre-loads. The outcomes of the experimental tests have been used for tuning the best numerical model of the resilient mount that properly takes into account the nonlinear behaviour of the rubber core. The data of the experimental tests carried out on board ships as well as in laboratory and the outcomes of numerical simulations have been used to predict the structure-borne noise according to the single-point approach. The outcomes achieved by the application of the method have been compared with on board measurements and pros and cons of the method are widely discussed. Moreover, the numerical procedures for the simulation of the dynamic behaviour of the resilient mount and the diesel engine foundation, pave the way for the optimization of the decoupling system of marine diesel engines.
XXVII Ciclo
1982