Littérature scientifique sur le sujet « Modellazione ibrida »

Inspections of both industrial and civil structures are necessary to prevent damages and loss of human life. Although robotic inspection is gaining momentum, most of the operations are still performed by human workers. Many are the factors that slow down the spread of inspection robots, in particular, the lack of versatility as well as the low reliability of these devices constitute a huge limitation. In this work, we propose a novel hybrid platform in the context of industrial inspection tasks, with the main focus on the design of the Crawler Unit. The aim is to address versatility issues exploiting modularity and self-reconfigurability. The final platform will consist of three main components: a Main mobile Base and two Crawler Units. All these systems would operate independently accomplishing specific inspection tasks. However, docking interfaces on each device will allow the systems to reconfigure into different robots extending the application range of each unit. The Crawler Unit will work mainly in constrained environments and narrow spaces. The Main Base will monitor wide areas, carrying around the Crawlers and deploying them near the inspection target. For dealing with challenging conditions, the two Crawler Units will dock together, reconfiguring into a snake-like robot. Additionally, docking to the Main Base, the two Crawlers would operate also as robotic arms, providing manipulation abilities to the system, thus allowing to perform maintenance operations as well. The Crawler kinematics and dynamics are investigated through theoretical models which provide the foundation for the mechanical design and the control algorithm development. The first prototype of the Crawler Unit validates the theoretical results achieving interesting performance over flat and uneven terrains. However, some design issues limit the prototype mobility. The second version of the Crawler tackles those issues introducing some innovations in the system design and enhances the performance of version one. Still, the project is at an early stage of development, revisions or adjustments on the mechanical systems of the Crawlers will follow. Future works would focus also on improving the dynamic models introducing common inspection scenarios for developing advanced control strategies.

I sistemi complessi generalmente mostrano comportamenti emergenti dinamici, che non possono essere spiegati da una mera descrizione delle parti che li costituiscono. Tali sistemi sono ubiquitari in contesti sia naturali che artificiali, spaziando dalla biologia alla fisica, dall’ingegneria all’economia, e suscitano l’interesse di molti scienziati appartenenti a diversi campi di ricerca. Per ottenere una più chiara comprensione del loro funzionamento, i sistemi complessi sono studiati tramite l’uso di metodi computazionali, che permettono di riprodurne il comportamento in silico. Di conseguenza, negli ultimi decenni numerosi formalismi matematici sono stati sviluppati per modellare i sistemi complessi, rappresentare diversi aspetti del loro comportamento dinamico e sfruttare i dati quantitative e qualitativi a disposizione riguardo le loro componenti. Lo scopo di questa tesi è mostrare come è possibile sfruttare la logica fuzzy per superare alcune delle limitazioni ancora presenti nella modellazione dei sistemi complessi, ovvero: predire comportamenti dinamici emergenti anche in assenza di informazioni quantitative precise; tener conto della presenza di componenti eterogenee, distribuite su diversi livelli di organizzazione temporale, spaziale e funzionale; colmare il divario esistente tra la modellazione quantitativa e quella qualitativa, in modo da definire modelli ibridi in grado di sfruttare simultaneamente i vantaggi peculiari di ciascun approccio. I nuovi framework di modellazione basati sulla logica fuzzy presentati in questa tesi sono stati utilizzati per analizzare il comportamento di due sistemi reali, nel contesto della biologia cellulare. I risultati dimostrano che i framework sviluppati riproducono il comportamento dei sistemi complessi e valutare la loro risposta alle perturbazioni, anche quando dati quantitativi sono assenti o alcune componenti del sistema non sono completamente caratterizzate. Questi framework potrebbero trovare applicazione in diversi campi di ricerca, comprese, tra gli altri, la biologia, la medicina e la farmacologia, che spesso si trovano ad affrontare sfide di questo genere.
Complex systems typically display emergent dynamic behaviors, which cannot be outlined by a mere description of their constituting parts. Such systems are ubiquitous in natural and artificial settings, ranging from biology and physics, to engineering and economics, and spark the interest of many scientists belonging to different research fields. To gain better insights on their inner working, complex systems are studied by means of computational methods, which allow to model and reproduce their behavior in silico. As a consequence, several mathematical formalisms were developed in the last decades to model complex systems, capture different features of their dynamic behavior, and leverage any available quantitative or qualitative data about their components. The aim of this thesis is to show how fuzzy logic can be exploited to overcome some of the limitations that still affect the modeling of complex systems, namely: predict emergent dynamic behaviors even when there is a lack of precise quantitative information; deal with the presence of heterogeneous systems components, spanning different levels of temporal, spatial of functional organization; bridge the gap between quantitative and qualitative modeling, in order to define hybrid models that can simultaneously exploit the peculiar advantages provided by both approaches. The novel modeling frameworks presented in this thesis based on fuzzy logic have been employed to analyze the behavior of two real world systems, in the context of cellular biology. The results show that the developed frameworks correctly reproduce the behavior of complex systems and assess their response to perturbations, even when quantitative information is missing or some system components are not fully characterized. These frameworks could find applications in several fields, including, but not limited to, biology, medicine and pharmacology, which often face such challenges.

L’industria automotive sta attraversando un periodo di grandi mutamenti. A tale cambiamento hanno contribuito l’aumento del costo del carburante e la legislazione legata alle emissioni sempre più stringente. Alla luce di questa situazione le automobili ibride ed elettriche stanno emergendo. Lo sviluppo e l’implementazione di batterie agli ioni di litio è dunque cruciale e richiede una conoscenza approfondita anche del comportamento termico nelle varie condizioni operative. La costruzione di modelli termici del comportamento della batteria e del suo sistema di raffreddamento consente, nella fase iniziale di sviluppo, di effettuare scelte determinanti su quello che sarà il “thermal management” della vettura. In questo scritto si va a modellare il comportamento termico di una batteria composta da celle agli ioni di litio per applicazione su veicolo ibrido ad elevate prestazioni. La tesi di laurea è stata svolta presso l’azienda Ferrari S.p.a. all’interno della divisione GT. Nella prima parte si introducono le caratteristiche termo-elettriche delle batterie agli ioni di litio per applicazioni ibride su automobili e le caratteristiche dei veicoli ibridi. Nella seconda parte viene modellata la generazione di calore all’interno di una singola cella agli ioni di litio “in aria” attraverso modelli termo-elettrici 3D utilizzando il software CFD Ansys CFX. Il modello termico applicato viene validato su dati sperimentali presenti in letteratura e su dati sperimentali già presenti in azienda. Nella terza parte si applicano i modelli ricavati nella parte precedente al caso con sistema di raffreddamento attivo delle celle all’interno di un pacco batteria allo scopo di progettare un sistema di raffreddamento che mantenga le celle all’interno dell’intervallo di temperatura consentito utilizzando i software Fluent e CFX.

La dinamica longitudinale costituisce un ambito di grande rilevanza nella simulazione dei veicoli. Permette di conoscere in maniera rapida le risposte al comportamento dinamico del sistema, oltre al consumo di combustibile e le performance longitudinali. Una delle maggiori problematiche è costituita dalla quantità di dati di input necessari per garantire una simulazione accurata. Questo documento si propone di descrivere l'attività di sviluppo di un modello matematico per la valutazione della dinamica longitudinale di un veicolo ibrido elettrico a 48 V. Descrive le modalità con cui l'attività è stata svolta e descrive le motivazioni che stanno dietro alle scelte effettuate più che rappresentare un manuale d'uso del modello stesso. Il risultato finale è la validazione di un modello che permetta di simulare l'inserimento di componenti elettriche nel veicolo, oltre che simulare il comportamento di veicoli non esistenti in fase di concept e pre-concept, con particolare attenzione ai consumi di combustibile.

Nonostante le crescenti limitazioni normative, nei prossimi anni i propulsori ibridi manterranno una quota di mercato rilevante. L’ottimizzazione dei loro sottosistemi appare quindi fondamentale. In questo contesto, tecniche di modellazione virtuale di sistemi ibridi permettono di ottenere il miglior compromesso tra la riduzione delle emissioni dallo scarico e il raggiungimento dei target prestazionali veicolo. Nei veicoli ibridi (HEVs), la presenza di diverse sorgenti di energia aumenta la complessità del gruppo propulsore: la scelta ottimale della suddivisione di potenza dipende dall'obiettivo dell'ibridizzazione. La progettazione di questa strategia di controllo del gruppo propulsore rappresenta dunque un tipico problema di controllo ottimale. La prima parte della ricerca riguarda lo sviluppo di una metodologia basata sulla teoria del controllo ottimale per minimizzare consumo e tempo sul giro in condizioni di guida sportiva. L'analisi considera un P1-P4 HEV come architettura di riferimento. La Programmazione Dinamica (DP) viene utilizzata per valutare le capacità massime del powertrain basandosi su modelli di veicoli semplificati. Le informazioni raccolte dalla DP, in entrambi gli obiettivi, vengono utilizzate per creare le mappe a seconda dei principali stati del powetrain, che vengono fornite come input a modelli più dettagliati per la valutazione finale della strategia di controllo proposta. I risultati possono fungere da riferimento per lo sviluppo di strategie di controllo implementabili in tempo reale, nonché consentire un confronto equo tra diverse varianti di componenti e architetture, utile nella fase di impostazione veicolo. Il secondo tema di ricerca riguarda lo studio del sistema di post-trattamento nella fase di avviamento a freddo del motore, che rappresenta un'area chiave per ottenere una significativa riduzione delle emissioni dallo scarico. Infatti, un tipico catalizzatore a tre vie (TWC) perde la sua efficacia al di sotto di una temperatura delle matrici di circa 500-600 K, inficiando la conversione degli inquinanti all'avvio a freddo. Al fine di simulare correttamente questi aspetti e studiare nuove possibili soluzioni, è stata sviluppata una metodologia CFD 3D in Open FOAM che comprende l'intero sistema di scarico fino al primo brick del TWC e modelli multi-fisici complessi. Lo studio si concentra sull’utilizzo di un burner che, combinato con una strategia di preriscaldamento, mira a raggiungere una temperatura TWC sufficiente per innescare in maniera efficace la conversione. Il terzo tema di ricerca trattato si focalizza sul processo di combustione per la comprensione della formazione di inquinanti, sia di particolato che di emissioni gassose mediante simulazioni 3D CFD interno cilindro. Un approccio semplificato è stato dedicato alle emissioni gassose, mentre uno più dettagliato è riservato alla modellazione del particolato. La metodologia sviluppata ha permesso un equo confronto tra il set di dati sperimentale e numerico, fornendo linee guida progettuali per il design dei componenti al fine di minimizzare le emissioni. L’ultimo tema di ricerca riguarda il serbatoio dell'olio motore che viene studiato con un nuovo approccio CFD basato su Eulerian Multi-Phase (EMP), che tiene conto dell'interazione tra fasi liquide e gassose, modellando la formazione di nebbia e schiuma e la successiva separazione. Dal punto di vista delle emissioni, la corretta previsione di questi fenomeni è cruciale per il contributo delle emissioni di HC e particolato dovuto al ricircolo blow-by. Questa tesi presenta dunque diverse metodologie di analisi virtuale volte a raggiungere l'obiettivo sopra menzionato: progettare la migliore auto sportiva ottimizzando i suoi componenti come parte di un sistema olistico.
Despite the increasingly stringent legislations, hybrid powertrains will retain a relevant market share in the upcoming years, thus the optimization of their powertrain systems will be of paramount importance. In this context, modelling techniques for the virtual development of high performance hybrid systems is crucial in order to achieve the best trade-off between reducing tailpipe emissions and reaching best in class levels of vehicle performance. In HEVs, the presence of different energy sources increases powertrain complexity. At each time instant, the choice of the power-split depends on the objective of the hybridization. The design of this powertrain control strategy represents a typical optimal control problem. The first part of the research focused on the development, of a methodology based on optimal control theory to maximize fuel economy and minimize lap time in sport driving conditions. The analysis considered a P1-P4 HEV as a test case. DP is used to assess the maximum powertrain capabilities relying on simplified vehicle models. The information collected from the DP, in both scenarios, is used to create policy maps depending on the main states of the powertrain, which are given as inputs to high fidelity models used for the final assessment of the proposed control strategy. Therefore, the results can be used as a benchmark for developing real-time implementable control strategies: possibility to learn from the optimal solution. In addition, such a benchmark enables a fair comparison among different component variants. A second topic moves the after-treatment operation at engine cold start is a key area for achieving a significant reduction in tailpipe emissions. In fact, a typical three-way catalyst (TWC) loses its effectiveness below a brick temperature of roughly 500-600 K, nearly nullifying pollutant conversion at the cold start. In order to properly simulate these aspects and investigate new possible solutions, a brand new 3D CFD methodology has been developed in the Open FOAM framework. It includes the whole exhaust system until the first TWC brick, complex multi-physics, mass/heat transfer, chemical reactions, flow through porous media. The study focuses on the light-off process, enabling optimization of new hardware; the burner showed a good potential combined with a pre-heating strategy in order to have enough TWC temperature, thus efficiency for pollutant conversion, before the engine start. A third topic moves inside the engine heart, to the understanding of pollutant formation, both particulate and gaseous emissions by means of 3D CFD in-cylinder simulations. From a numerical standpoint, a simplified approach is dedicated to gaseous emissions, while a more detailed and customized one is reserved to soot modeling. The present study is a novelty in providing guidelines for a fair comparison between the experimental and the numerical dataset, via a dedicated post-processing of the simulation outcomes, eventually forging new parts, new combustion chambers layouts, leading to less emission at the end of the combustion process. As last, the engine oil tank is investigated with a new 3D CFD approach based on Eulerian Multi-Phase (EMP). Its advantage is that it accounts for the interaction between liquid and gaseous phases, modeling mist and foam formation and its subsequent separation. From the emission point of view, the correct prediction of these phenomena are crucial for the HC and SOOT emissions contribution due to the blow-by recirculation. This dissertation presents therefore several virtual design methodologies aimed to reach the above-mentioned goal: designing the best sport car by optimizing its components as part of a holistic system.

This Ph.D. dissertation is the result of a three-year research activity focused on structural and seismic engineering applied to innovative timber constructive systems. The main purpose is to give a contribution to international scientific research and current design practice about the seismic behaviour of timber shear-wall systems, which still represent an innovation in the construction industry and are being developed due to their favourable characteristics. An initial overview on the use of main timber structural systems in seismic-prone areas for low- and medium-rise buildings is provided, within the context of current European seismic code. The theme of the seismic design of timber shear-wall systems is discussed in the first part, giving close attention to linear and non-linear modelling criteria: various strategies are proposed and main characteristics are highlighted. Basic definitions and concepts proper of the seismic analysis of timber structures are provided. A particular attention is paid to the definition and application of the capacity design approach and the close link with the concept of behaviour factor is emphasized. Finally, the definition of behaviour factor, as product between an “intrinsic” capacity of the structure and a design over-strength value is proposed. This definition allows to characterize the structural systems with their proper dissipative capacity and to evaluate separately the safety reserve introduced by design. The second part analyses the structural behaviour of the cross-laminated timber (CLT) technology, which represents one of the most common timber structural systems. The concepts of ductility, dissipative capacity, regularity and irregularity applied to CLT system are provided. The seismic response and the dissipative capacity of this system are firstly evaluated via an experimentally based procedure. Then, the evaluation of its intrinsic dissipative capacity is determined via non-linear numerical modelling with the aim of studying the correlation with the construction variables. Results show that the construction design decisions affect the seismic response and dissipative capacity of buildings, as opposed to apply a single behaviour factor value to the whole CLT technology. A statistical analysis applied to numerical results allowed also to propose analytical formulations for the computation of the suitable behaviour factor value for regular buildings. Then, the same analyses carried out on in-elevation non-regular buildings returned a correction factor to account for the reduction in dissipative capacity due to irregularity. The application of the CLT technology to realize high-rise buildings is presented in the third part, analysing the behaviour of slender buildings with seismic resisting core and perimeter shear walls. The major limitations and drawbacks in realizing these structures in areas characterized by high seismic intensity and their implication in the design are reported. The final part presents three novel structural systems as alternative to more common technologies, as CLT or platform frame. These innovative systems are characterized mainly by a diffuse dissipative and deformation capacity when subjected to seismic loads, while in CLT system such capacity is concentrated in connection elements. This different response is studied via quasi-static tests and numerical simulations. In detail, two non-glued massive timber shear walls and a mixed steel-timber wall with an innovative bracing system are presented.
Questa tesi di dottorato è il risultato di tre anni di attività di ricerca in ambito ingegneristico strutturale applicato allo studio di sistemi costruttivi innovativi in legno. Il principale obiettivo è quello di fornire un contributo alla ricerca scientifica internazionale e ai metodi attuali di progettazione in merito alla risposta sismica di sistemi in legno a pareti sismo-resistenti, i quali rappresentano tutt’ora un’innovazione nel settore delle costruzioni e si stanno diffondendo grazie alle loro caratteristiche favorevoli. Una panoramica iniziale sull’utilizzo dei principali sistemi strutturali in legno in zone sismiche per la realizzazione di edifici bassi o di media altezza viene fornita e contestualizzata nella vigente normativa sismica europea. La prima parte della tesi affronta il tema della progettazione sismica di sistemi a pareti in legno, con particolare attenzione ai criteri di modellazione lineare e non lineare, proponendo diverse strategie ed evidenziandone le caratteristiche. In questa parte vengono forniti inoltre definizioni e concetti fondamentali propri dell’analisi sismica di strutture in legno. Un’attenzione particolare è riservata alla definizione e applicazione del “capacity design”, sottolineandone lo stretto legame con il concetto di fattore di struttura. Viene proposta infine una definizione del fattore di struttura come prodotto tra una parte intrinseca alla struttura e una sovraresistenza di progetto. Tale definizione permette di caratterizzare i sistemi strutturali con la propria capacità dissipativa e di valutare separatamente la riserva di sicurezza introdotta dalla progettazione. La seconda parte della tesi analizza il comportamento strutturale della tecnologia X-Lam (CLT), che rappresenta uno dei più comuni sistemi strutturali in legno. In questa parte vengono approfonditi i concetti di duttilità, capacità dissipativa, regolarità e irregolarità applicati al sistema X-Lam. La risposta sismica e la capacità dissipativa di questo sistema sono state preliminarmente valutate tramite una procedura analitico-sperimentale. Modelli numerici non-lineari hanno quindi permesso di valutarne la capacità dissipativa intrinseca in funzione delle variabili costruttive proprie del sistema. I risultati mostrano come le decisioni costruttive in fase di progettazione influenzino la risposta sismica dell’edificio; ciò è in contrasto all’applicazione di un unico valore del fattore di struttura per l’intera tecnologia X-Lam. Un’analisi statistica applicata a tali risultati numerici ha consentito di proporre formulazioni analitiche per il fattore di struttura per edifici regolari in funzione delle caratteristiche dell’edificio stesso. Infine, le stesse analisi condotte su edifici non regolari in altezza hanno fornito un coefficiente per tenere in conto della riduzione di capacità dissipativa a causa dell’irregolarità. Nella terza parte viene presentata un’applicazione della tecnologia X-Lam per costruire edifici alti, analizzando il comportamento di edifici snelli con nucleo sismo-resistente e pareti aggiuntive perimetrali. Vengono riportati inoltre le principali limitazioni e inconvenienti nel realizzare tali strutture in aree caratterizzate da elevata intensità sismica e le loro implicazioni nella progettazione. La parte finale descrive e analizza tre sistemi strutturali in legno innovativi, come alternative a tecnologie più comuni, quali X-Lam o platform-frame. Questi sistemi, soggetti ad azioni sismiche, sono caratterizzati da una capacità deformativa e dissipativa diffusa, al contrario del sistema X-Lam in cui tale capacità è concentrata principalmente negli elementi di connessione. Questa risposta differente è studiata attraverso test sperimentali quasi statici e simulazioni numeriche. In dettaglio, sono presentati e analizzati due sistemi a pareti massicce stratificate; realizzate senza l’uso di colla tra gli strati e una parete ibrida acciaio-legno con un sistema innovativo di controvento.