Ricerca | Trasporto (incl. aeronautica)

Problemi di Acustica Vibrazionale con approccio combinato FEM-BEM

Descrizione: L’attività di ricerca si incentra sul filone automobilistico, con particolare riferimento alle relative problematiche di Acustica Vibrazionale. Si sviluppano procedure di simulazione dell’emissione acustica di componenti di autoveicolo (filtro dell’aria, scocca, sistema di scarico…), basate su un utilizzo sinergico ed eventualmente accoppiato di FEM (Finite Element Method) e BEM (Boundary Element Method). L’obiettivo è di testare/validare in maniera virtuale soluzioni alternative di ottimizzazione del sistema, per la riduzione dell’impatto acustico. Si opera con codici commerciali (Virtual Lab di LMS) e routine sviluppate in proprio. All’attività numerica si aggiungono attività sperimentali di misurazione del campo sonoro e vibrazionale in termini rispettivamente di pressione/potenza acustica (il gruppo dispone di fonometro e sonda intensimetrica) e accelerazione delle strutture vibranti (mediante kit accelerometrico).

Ricercatori coinvolti: Roberto Citarella, Gabriele Cricrì, Michele Perrella, Marcello Lepore

Problemi di Meccanica della Frattura con approccio combinato FEM-BEM e relative indagini sperimentali

Descrizione: L’attività di ricerca si incentra sul filone aeronautico, avente per oggetto studi di Meccanica della Frattura. Si mettono a punto procedure di modellazione avanzata, basate su metodologie numeriche di tipo FEM (Finite Element Method) e BEM (Boundary Element Method) applicate a pannelli aeronautici “full scale”. L’obiettivo è riprodurre i fenomeni di danneggiamento (cricche) nella loro evoluzione temporale sotto l’effetto di spettri di carico. Le metodologie numeriche predette vengono integrate, e utilizzate in maniera accoppiata nei casi in cui i fenomeni elastoplastici (indotti da spettri di carico o deformazioni plastiche da intrusione) diventano rilevanti e le connesse tensioni residue sono tali da influenzare in maniera sensibile l’evoluzione della propagazione del difetto. Si opera con codici commerciali (BEASY, ANSYS, ABAQUS…) e routine sviluppate in proprio.

Ricercatori coinvolti: Roberto Citarella, Gabriele Cricrì, Michele Perrella, Marcello Lepore

Ottimizzazione e controllo di veicoli ibridi e ibrido-solari

Descrizione: La ricerca è finalizzata allo sviluppo di metodologie e codici di calcolo per l’ottimizzazione delle strategie di gestione energetica dei veicoli ibridi e ibrido-solari. Il problema del controllo dei veicoli ibridi è stato affrontato ricorrendo a strategie di controllo multilivello per separare la gestione energetica complessiva da quella dei singoli componenti. In particolare, la suddivisione di potenza tra il motore a combustione interna (MCI) ed il pacco batterie è eseguita mirando a massimizzare l’efficienza complessiva del sistema, garantendo contemporaneamente un funzionamento a sostentamento della carica delle batterie. Il gruppo di ricerca nel 2004 ha ricevuto un riconoscimento per il contributo scientifico presentato al simposio internazionale Advanced Vehicle control, in cui è discussa una metodologia di ottimizzazione energetica basata su un modello previsionale a rete neurale della richiesta di potenza del guidatore. Successivamente è stato attivato un secondo filone di ricerca, incentrato sulla progettazione ed il controllo di veicoli ibridi solari (Hybrid Solar Vehicles – HSV) in configurazione serie. L’attenzione verso i veicoli HSV scaturisce dalle elevate potenzialità di risparmio energetico derivanti dall’utilizzo cittadino degli HSV in luogo dei veicoli tradizionali. Una serie di analisi tecnico-economiche ha dimostrato la fattibilità a medio termine dell’introduzione di veicoli HSV quali mezzi di trasporto innovativi e sostenibili, con tempi di recupero dell’investimento accettabili. Sono stati altresì approfonditi gli effetti dei transitori termici indotti dal funzionamento intermittente su consumi ed emissioni del MCI. I risultati ottenuti, premiati in occasione del convegno H2Roma 2010 con il riconoscimento “Premio Energia e Mobilità”, hanno messo in luce come la gestione ottimale del MCI su un HSV serie non corrisponde necessariamente alla condizione operativa più efficiente del solo MCI, proprio in virtù dell’interazione con pacco batterie e pannelli e degli effetti connessi ai transitori termici.

Parallelamente alle suddette attività metodologiche si è realizzato un prototipo HSV presso il laboratorio Eprolab, attraverso il quale è stato possibile identificare sperimentalmente i sotto-modelli dei singoli componenti ibridizzanti (i.e. motore elettrico, pacco batterie, pannelli fotovoltaici e generatore), nonché verificare l’efficacia delle strategie di gestione energetica basate su modelli. Gli ultimi sviluppi dell’attività di ricerca riguardano la riconversione di automobili convenzionali in veicoli “Mild Hybrid Solar Vehicles”. Tale tematica, oggetto del brevetto n. RM2010A000161, è ulteriormente approfondita nel progetto PRIN 2008 “Modellazione e sviluppo di un sistema prototipale per la ibridizzazione di autoveicoli convenzionali”.

Ricercatori coinvolti: Ivan Arsie, Gaetano Coraggio, Cesare Pianese, Cecilia Pisanti, Gianfranco Rizzo, Marco Sorrentino

Controllo della coppia frizione in trasmissioni robotizzate.

Descrizione: Le frizioni a secco sono ampiamente usate negli schemi trasmissione di veicoli convenzionali ed innovativi e rappresentano un componente chiave nella progettazione delle trasmissioni robotizzate (AMTs). Nelle applicazioni automotive risulta di centrale importanza disporre di un modello di trasmissibilità della frizione a secco, ossia della funzione che lega la coppia d'attrito trasmessa al cambio alla posizione del cuscinetto reggispinta, grandezza fisica direttamente controllata dalla centralina trasmissione attraverso un attuatore elettroidraulico. In questo ambito, il gruppo di ricerca ha proposto un innovativo modello di trasmissibilità per la simulazione della fase di innesto. Il modello è stato costruito analizzando i fenomeni d'attrito all'interfaccia volano-disco frizione e spingidisco-disco frizione, chiarendo nel contempo l'infulenza della molla a cuscino (o di progressività) sulla caratteristica. A differenza degli approcci presenti in letteratura, la coppia trasmessa in funzione della velocità di slittamento e della posizione del cuscinetto reggispinta trova in questo caso un significato fisico esplicito. Viene introdotta, inoltre, una procedura di identificazione dei parametri del modello, validata sperimentalmente. Nel contesto di uno schema di controllo tipico della fase di innesto frizione per AMT, mediante l'inversione della caratteristica statica, la ricerca si è focalizzata sull'analisi numerica mediante FEM dell'influenza della temperatura sulla caratteristica statica carico-deformazione della molla a cuscino. L'analisi sottolinea che la temperatura influenza in due modi la caratteristica elastica della molla a cuscino: al crescere della temperatura, la rigidezza del materiale decresce e ciò è evidenziato dalla riduzione della pendenza della caratteristica; il carico termico induce, inoltre, un effetto di pre-stress che si manifesta in una reazione non nulla nella posizione del cuscinetto reggispinta corrispondente all'incipiente slittamento ("kiss point"). Poichè la caratteristica elastica della molla a cuscino rappresenta il principale contributo alla forma della caratteristica di trasmissibilità della frizione a secco, l'influenza della temperatura su questo sub-componente assume un importante ruolo nella progettazione di un efficace algoritmo di controllo da implementare nell'unità TCU, centralina di controllo della trasmissione robotizzata. Il risultato di quest'analisi potrebbe rappresentare, pertanto, un tassello cruciale per i progettisti di frizioni asservite a trasmissioni robotizzate e per gli sviluppatori delle logiche di controllo per ridefinire il ruolo della molla a cuscino, ai fini di un miglioramento delle prestazioni di innesto degli AMT anche negli usi severi e nelle condizioni di affaticamento da innesti ripetuti.

Ricercatori coinvolti: Adolfo Senatore, Nicola Cappetti, Francesco Vasca, Luigi Iannelli, Mario Pisaturo

Modellistica orientata al controllo dei motori a combustione interna

Descrizione: Il filone di ricerca riguarda lo sviluppo, l’identificazione e la validazione sperimentale di modelli di calcolo per la stima in real time della dinamica aria – combustibile – gas residui all’aspirazione dei motori a c.i.. I modelli sono finalizzati al controllo motore per migliorare la risposta dinamica e l’efficienza di conversione dei sistemi di post-trattamento in corrispondenza di generiche manovre di transitorio. Nello sviluppo dei modelli si è fatto ricorso all’approccio ai valori medi a parametri concentrati che presenta un immediato interesse applicativo nei sistemi di controllo motore model based , stante il limitato onere computazionale richiesto. Nell’ambito di tale filone sono stati sviluppati osservatori closed-loop basati sulla teoria dei filtri di Kalman che consentono di predire istantaneamente sia gli stati che i parametri caratteristici del modello attraverso un confronto tra stima e misure in real time. Tale metodologia conferisce ai modelli di calcolo proprietà autoadattative, particolarmente indicate per compensare gli effetti provocati dalla naturale degradazione del sistema e per soddisfare le normative in materia di diagnosi a bordo (EOBD). Nell’ambito del filone di ricerca sono stati sviluppati modelli di calcolo basati su Rete Neurale Ricorrente (Recurrent Neural Network - RNN) per la simulazione in real-time del rapporto di miscela (AFR) e delle emissioni di NOx allo scarico. I modelli sviluppati si prestano all’impiego come sensori virtuali applicabili a diversi ambiti, dall’Hardware in The Loop (HIL) al controllo in feedback fino alla diagnostica a bordo veicolo dei motori a combustione interna (MCI). Si è inoltre sviluppato un simulatore inverso, avente come input il rapporto di miscela di target e come output la variabile di controllo da attuare, allo scopo di realizzare un controllore a rete neurale feed-forward, potenzialmente adattativo. Tutte le metodologie di calcolo sviluppate sono state testate sperimentalmente su motori al banco presso la sala prova del DIIN.

Ricercatori coinvolti: Ivan Arsie, Andrea Cricchio, Ivan Criscuolo, Cesare Pianese, Gianfranco Rizzo, Marco Sorrentino

Modelli di simulazione della combustione e delle emissioni inquinanti nei motori a combustione interna

Descrizione: L’attività di ricerca sulla modellistica della combustione e degli inquinanti è finalizzata allo sviluppo di strutture di calcolo sequenziali per la stima del ciclo reale e delle emissioni inquinanti di motori ad accensione comandata - alimentati a benzina, etanolo o metano - ed ad accensione spontanea, alimentati a gasolio o dual-fuel. Le strutture di calcolo sviluppate prevedono l’impiego di sottomodelli in grado di descrivere i vari meccanismi che si succedono a partire dai processi di accensione/ iniezione (ritardo all’accensione, penetrazione dello spray, break-up, inglobamento). La combustione è simulata attraverso sottomodelli basati sulle scale temporali caratteristiche dei processi laminari e turbolenti. La simulazione è eseguita secondo un approccio multi—zona quasi-dimensionale che consente di descrivere in maniera dettagliata i gradienti termici e di concentrazione che influenzano in maniera rilevante il successivo calcolo delle emissioni di HC, CO, NOx e particolato. La struttura di calcolo è completata con lo sviluppo e l’integrazione di modelli monodimensionale per la simulazione del moto nei condotti di aspirazione e scarico e della sovralimentazione, attraverso l’impiego di codici di calcolo commerciali (GT Power e Wave). La validazione dei modelli è eseguita con riferimento ai dati sperimentali rilevati su motori al banco presso il DIIN o presso i laboratori delle aziende e gli istituti di ricerca partners.

Ricercatori coinvolti: Ivan Arsie, Ivan Criscuolo, Rocco Di Leo, Cesare Pianese, Gianfranco Rizzo