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Meccanica Applicata alle Macchine (ING-IND/13)
Sede di Forlì

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Attività di Ricerca

A.     Modellazione ed analisi elastodinamica di macchine e meccanismi

L’attività consistite nello sviluppo e nella validazione sperimentale dei modelli di specifici sistemi meccanici di diversa tipologia, al fine di mettere a punto metodologie relativamente generali per la modellazione dinamica di meccanismi e macchinari. Gli strumenti tipicamente impiegati sono la modellazione a parametri concentrati, la modellazione ad elementi finiti e la modellazione multibody-flessibile. Si sono presi in considerazione prevalentemente meccanismi di motori a combustione interna per motociclo, pompe ad ingranaggi impiegate in dispositivi di servosterzo, e meccanismi in catena chiusa con riferimento a problematiche di bilanciamento. Uno studio è stato svolto sulla struttura portante di un macchinario ad elevata dinamica. In particolare, si citano gli studi condotti su:

A1.   Meccanismi di motori a combustione interna per motociclo

La ricerca riguarda il sistema di distribuzione con treno di ingranaggi di motocicli Ducati destinati alle competizioni GP e l’imbiellaggio di un motore endotermico di motocicli Ducati della produzione di serie. Nel meccanismo della distribuzione dei motocicli da competizione il sistema nel suo complesso è costituito da una cascata di 12 ruote dentate e da 16 meccanismi desmodromici per l’azionamento delle relative valvole. Per l’analisi del suo comportamento dinamico, è stato sviluppato un modello che prevede la compresenza di parametri concentrati ed elementi finiti. Per la valutazione dei carichi dinamici agenti sui membri dell’imbiellaggio del motore dei motocicli di serie si sono sviluppati dei modelli multibody flessibili. Nell’introdurre le caratteristiche di elasticità dei componenti nei modelli un aspetto particolarmente delicato è quello legato alla riduzione del modello. L’attività di ricerca si è concentrata sulla modellazione FE dell’albero a gomiti e delle bielle e i modelli ottenuti sono stati ridotti adottando un criterio di selezione dei modi normali sistematico. I componenti ridotti sono stati poi opportunamente introdotti all’interno del modello multibody del manovellismo.

 

A2.   Pompe ad ingranaggi di impiego motoristico

Il presente settore di attività è relativo a pompe ad ingranaggi esterni di impiego motoristico, funzionanti a velocità relativamente elevate e pressioni relativamente basse. Una delle problematiche più rilevanti di questi componenti è il livello di rumore emesso, che deve essere contenuto entro limiti sempre più ristretti, per motivi di confort. Per identificare con precisione le cause dell’eccessiva rumorosità, si sono messe in relazione le misure di vibrazione e rumore con le simulazioni prodotte da un modello dinamico del sistema meccanico, che permette di evidenziare la relazione tra le eccitazioni parametriche presenti e la risposta dinamica del sistema.

A3.   Meccanismi in catena chiusa bilanciati staticamente

L’attività riguarda l’analisi numerica e sperimentale di un quadrilatero articolato, con particolare riferimento agli aspetti elastodinamici, nell’ambito di uno studio riguardante il bilanciamento statico dei meccanismi in catena chiusa. Obiettivo è quello di verificare e approfondire alcuni aspetti relativi alle strategie di bilanciamento di meccanismi (che tipicamente prevedono l’impiego di contrappesi oppure molle) marginalmente trattati in letteratura, in particolar modo nel caso di meccanismi paralleli. Base dello studio è stato un modello di quadrilatero articolato piano bilanciato e non è da intendersi come il più semplice esempio di meccanismo in catena chiusa. Lo studio potrà poi essere esteso all’analisi di manipolatori paralleli al fine di individuare una strategia di ottimizzazione delle tecniche di compensazione statica. Il modello numerico di quadrilatero articolato è stato validato tramite un banco prova sperimentale allestito presso i laboratori della II Facoltà di Ingegneria. I risultati della campagna sperimentale sono stati correlati con quelli numerici: i confronti e le indagini effettuate confermano come la presenza di masse bilancianti comporti un globale peggioramento delle prestazioni del meccanismo - già a regimi non particolarmente elevati - testimoniato da un generale aumento dell’intensità delle reazioni vincolari all’aumentare della velocità di regime, in misura maggiore nel meccanismo bilanciato rispetto al non bilanciato.

A4.   Strutture portanti di macchinari.

La ricerca ha riguardato in particolare la struttura portante di una macchina per il taglio lamiera tramite tecnologia al laser. La forte sensibilità della qualità del lavoro alle vibrazioni conseguenti i rapidi movimenti dell’unità di taglio richiede una progettazione mirata al contenimento delle vibrazioni al fine di ottimizzare il comportamento del sistema in funzione di una elevata produttività. Risulta pertanto necessario progettare la macchina, in particolare la sua struttura portante, in modo tale da limitare al massimo l’effetto nocivo delle vibrazioni indotte dalle masse in moto e di quelle eventualmente trasmesse dal suolo derivanti da altre macchine utensili possibilmente adiacenti alla stazione laser. A tal fine si è sviluppato un modello FEM della struttura portante che, unitamente al modello delle azioni eccitatrici, ha consentito di simulare il comportamento elastodinamico della macchina in condizioni operative.

 

B.     Rilievi vibro-acustici e test di qualifica su strutture e organi meccanici

Lo studio dei problemi connessi con le vibrazioni meccaniche richiede di regola l’effettuazione di rilievi sperimentali. In taluni casi i rilievi sono complessi e richiedono lo sviluppo di tecniche sperimentali particolari. I dati ottenuti necessitano poi di accurate e sofisticate elaborazioni per essere interpretati correttamente e per rivelare tutte le informazioni in essi contenute. Tra le attività sperimentali condotte si citano le seguenti:

B1.   Analisi modale operativa

È stata condotta un’attività di tipo sperimentale su una macchina automatica per operazioni di "pulizia" su infissi in PVC. Il prototipo della macchina in oggetto presentava, in una particolare configurazione di montaggio e durante l’esecuzione di determinate leggi di moto, alcune problematiche di carattere vibratorio. Per individuare gli interventi da apportare al progetto, l’analisi modale sperimentale costituisce un utile strumento di indagine. In particolare, si è condotta una Analisi Modale Operativa (OMA), ovvero si è impiegata una tecnica basata sul rilievo della sola risposta del sistema alle eccitazioni generate durante il suo funzionamento in condizioni operative.

B2.   Test di qualifica a vibrazioni

Le apparecchiature che rivestono un ruolo rilevante per quanto riguarda aspetti legati alla sicurezza devono essere qualificate a fronte delle sollecitazioni previste durante l’esercizio in condizioni normali ed anormali. In tale contesto un aspetto importante è quello legato alle vibrazioni meccaniche: eccitazioni tipiche sono quelle autoindotte nelle parti di impianto su cui l’apparecchiatura deve essere installata e quelle trasmesse all’apparecchiatura stessa tramite le strutture di supporto. In tale ambito è stata condotta una attività di qualifica al volo spaziale dei sottosistemi del satellite ALMASat-1, il primo microsatellite interamente progettato, prodotto e assemblato presso l’Università di Bologna. Le specifiche imposte hanno dettato i profili di vibrazione in termini di PSD, per quanto riguarda le sollecitazioni di tipo random, e le caratteristiche della verifica a shock. Il microsatellite è stato lanciato nel corso del volo inaugurale di VEGA, il nuovo lanciatore dell'Agenzia spaziale europea.


B3.   Caratterizzazione vibro-acustica di dispositivi protesici

Così come avviene per lo sviluppo di qualsiasi prodotto industriale, anche nel settore delle protesi mioelettriche per amputati di arto superiore si rende necessario caratterizzare sperimentalmente le prestazioni dei prototipi di nuove articolazioni attuate. Un aspetto particolarmente interessante è relativo all’analisi vibro-acustica dei dispositivi. Infatti, l’emissione di rumore è un fattore molto importante per l’amputato che indossa una protesi motorizzata, al punto che una bassa rumorosità è un requisito tanto importante quanto può esserlo la capacità di carico o la velocità. Inoltre, un’opportuna analisi delle vibrazioni meccaniche permette di eseguire la diagnostica dei prototipi per individuare non solo eventuali malfunzionamenti ma anche aree critiche in cui intervenire a livello progettuale per migliorare il comportamento complessivo del sistema. A tal proposito sono state definite specifiche procedure per i test dei prototipi sviluppati, che permettono anche di stabilire criteri di accettabilità di dispositivi commerciali o commissionati a fornitori esterni durante la fase di collaudo/accettazione.

B4.   Caratterizzazione sperimentale di un sistema di sollevamento sensori per sommergibili.

È stata condotta un’attività di tipo sperimentale su sistemi di sollevamento periscopici ("Mast") per sommergibili. Sono state portate a termine due indagini, entrambe rivolte allo studio del comportamento elastodinamico di detti sistemi. Per la prima ricerca, tramite una campagna sperimentale di analisi di vibrazioni forzate si sono determinate leggi di moto ottimali (volte alla minimizzazione dei picchi di vibrazione e del livello complessivo di rumore, pur nel rispetto delle specifiche cinematiche) da implementare per il controllo di un Mast di nuova generazione, comandato con azionamento elettromeccanico. Come seconda attività ricerca, si è invece condotta un’analisi modale sperimentale su un Mast ad azionamento idraulico per l’identificazione dei parametri modali. In particolare, sulla base dei dati di natura sperimentale è stato definito un modello di smorzamento strutturale da implementare nel modello ad elementi finiti del sistema Mast impiegato per analisi dinamiche predittive svolte in fase progettuale.

 

C.     Studio di dispositivi robotici per la riabilitazione e l’assistenza dell’arto superiore

Un approccio multidisciplinare che coinvolge i settori della Robotica, della Biomeccanica e, in parte, della Neurologia sono alla base di una ricerca che prevede lo sviluppo di dispositivi robotici da integrare all’arto superiore, per applicazioni che riguardano sia compiti di riabilitazione (esecuzione di esercizi terapeutici) sia compiti di assistenza (supporto o sostituzione dell'arto umano nello svolgimento delle attività di vita quotidiana). Si citano:

C1. Sviluppo di protesi d’arto superiore

L’obiettivo è la sintesi di protesi mioelettriche per arto superiore che presentino caratteri innovativi rispetto alle attuali soluzioni commerciali (piuttosto limitate per i pazienti con le menomazioni più gravi). Vengono analizzate dal punto di vista clinico (tramite contatto diretto con pazienti e tecnici ortopedici) e ingegneristico (tramite la definizione di algoritmi di sintesi e analisi cinematica e di analisi cinetostatica) le problematiche connesse alla riabilitazione protesica di amputati d’arto superiore, prendendo in esame sia l’ottimizzazione delle architetture meccaniche delle protesi sia la definizione delle strategie e degli algoritmi di controllo. Il risultato diretto di tale studio è la sintesi delle protesi ottimali per determinate classi di pazienti (differenziate in base a caratteristiche dei soggetti opportunamente individuate) e la conseguente progettazione delle articolazioni elettromeccaniche che le attuano. Attualmente si è concentrati su alcuni prototipi di spalla.

C2. Sviluppo di un esoscheletro per arto superiore

È stato ampiamente dimostrato negli ultimi anni che il ricorso alla tecnologia robotica può migliorare significativamente il processo di riabilitazione di pazienti affetti da patologie senso-motorie (ad es. i pazienti colpiti da ictus) per quanto riguarda sia le capacità motorie sia quelle cognitive. In tale contesto, il gruppo è coinvolto in un’attività di ricerca che si concentra sulla riabilitazione dell'arto superiore; in particolare si occupa della progettazione di due gruppi funzionali di un esoscheletro concepito per la riabilitazione di pazienti post-ictus nell'esecuzione dei compiti di manipolazione e presa di oggetti di forma comune di mano: ortesi attiva di mano a due gradi di libertà per la realizzazione della presa cilindrica e unità di polso a due gradi di libertà per la prono-supinazione e la flesso-estensione della mano.