progettazione e costruzione di macchine

PROGETTAZIONE E
COSTRUZIONE DI MACCHINE
Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria
Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
Prof. Eugenio Dragoni
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PROGETTAZIONE E COSTRUZIONE DI MACCHINE
Il gruppo di Costruzione di Macchine (MDG) ha iniziato la sua attività nel 2000 presso il Dipartimento di
Scienze e Metodi dell'Ingegneria ( DISMI ) dell'Università di Modena e Reggio Emilia. I gruppo è composto
da docenti , ricercatori e ingegneri che condividono competenze nei settori dell'ingegneria meccanica,
industriale e della meccatronica.
Il gruppo dispone di laboratori ben attrezzati che includono strutture sperimentali e computazionali
avanzate. All’attuale sede nelle strutture del Dipartimento di Scienze e Metodi dell'Ingegneria si affianca
anche la recente sede nel Tecnopolo di Reggio Emilia, Capannone 19, in cui i componenti del gruppo
disporranno di ulteriori spazi dedicati alla ricerca applicata e al trasferimento tecnologico.
Il focus della ricerca è la progettazione, l'analisi, l'ottimizzazione e lo sviluppo di macchine e organi
meccanici intelligenti, con specifico riguardo alla meccanica strutturale, alla risposta dinamica
all'integrazione meccatronica e alla sensorizzazione.
Le principali aree di ricerca sono le seguenti :
- Processo di progettazione e sviluppo del prodotto
- Computer Aided Engineering e analisi agli elementi finiti
- Materiali avanzati e intelligenti
- Prototipazione e test
- Progettazione ed esecuzioni di campagne sperimentali strutturate
L'attività del gruppo è finanziato da contratti di ricerca provenienti da enti governativi locali e nazionali e da
contratti di ricerca stipulati con aziende nazionali e internazionali .
Contatti:
Referente Prof. Eugenio Dragoni
http://www.machinedesign.re.unimore.it/index.html
Gruppo Operativo:
Dott. Ing. Davide Castagnetti
Dott. Ing. Andrea Spaggiari
Dott. Ing. Giovanni Scirè Mammano
PhD. Student Ing. Nicola Golinelli
University of Modena and Reggio Emilia
Department of Science and Methods for Engineering
Via Amendola, 2 (pad. Morselli)
42100 Reggio Emilia (ITALY)
Tel.
+39 (0) 522 52 2118
Fax.
+39 (0) 522 52 2609
E-mail [email protected]
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1 Progettazione e sviluppo di prodotto.
Parole Chiave: sviluppo prodotto, ottimizzazione, design of experiments, progettazione robusta
Si tratta di un’attività di ricerca trasversale che rientra in tutte le azioni che coinvolgono la progettazione e
lo sviluppo di nuovi prodotti o l’innovazione di prodotti esistenti. Il percorso si articola principalmente in:
- definizione dei bisogni cliente e delle specifiche tecniche;
- progettazione concettuale;
- progettazione di sistema e di dettaglio;
- prototipazione.
Il percorso ha origine dallo stimolo ricevuto dal mercato dei potenziali clienti, i quali manifestano un
bisogno traducibile in metriche quantitative. Da queste si sviluppa il percorso di progettazione, prima ad
alto livello, in termini di possibili soluzioni da adottare e di architettura da realizzare, poi di dettaglio.
Specifica attenzione viene riposta nell’ottimizzazione del prodotto, dal punto di vista strutturale e
funzionale e nell’assicurare una prestazione robusta. L’ottimizzazione è realizzata sia mediante strumenti
analitici che attraverso prove sperimentali su prototipi. In particolare la pianificazione efficiente ed efficace
dell’attività sperimentale si basa sulle tecniche del Design of Experiments. La robustezza del prodotto è
conseguita basandosi sugli strumenti della Progettazione Robusta (Taguchi), in grado di tener conto del
rumore ambientale, tecnologico e umano a cui il sistema è soggetto nella vita operativa. Su questa attività il
gruppo di Costruzione di Macchine vanta molteplici collaborazioni con Aziende del territorio.
Prototipo virtuale di apparecchio cuoci-uova (dal corso “Progetto di Sistemi Meccatronici”)
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2 Materiali meccatronici.
Parole Chiave: materiali, memoria di forma, fluidi magnetoreologici, polimeri elettroattivi
Aziende Coinvolte: AMA SpA, Technospring S.r.l., Saes Getters SpA, Magneti Marelli S.p.A. Hydrapp S.p.A
2.1 Fluidi Magnetoreologici
I fluidi magnetoreologici (MR) sono sospensioni non colloidali bifase di particelle ferromagnetiche disperse
in un liquido non magnetico. Tipicamente, un fluido MR è composto da carburi di ferro polarizzabili di
dimensioni dell'ordine del micron (20÷40%) in sospensione in un liquido trasportatore omogeneo come olio
minerale, olio sintetico, acqua o glicole [1].
In stato di quiete le particelle sono disperse casualmente nel liquido. L’applicazione di un campo magnetico
esterno orienta le particelle ferrose, che si comportano come dipoli magnetici, secondo la direzione delle
linee di flusso del campo. Si generano pertanto delle forze attrattive tra le particelle che provocano la
formazione di strutture reticolari orientate secondo la direzione delle linee di flusso del campo magnetico.
Per campi magnetici elevati le particelle formano vere e proprie colonne lungo le linee di flusso che
ostacolano il moto del fluido.
Le applicazioni dei fluidi MR sono molteplici, principalmente nel campo di dissipatori di energia come
smorzatori variabili, freni o frizioni. La versatilità di questi sistemi, dovuta alla controllabilità degli stessi in
funzione del campo magnetico è notevole e li rende adatti ad applicazioni di taglie molto diverse: dal
campo civile anti-sismico, al campo meccatronico con sistemi di force-feedback per volanti steer by wire.
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Fluido MR non attivo
Fluid MR attivo
Frizione a fluido MR
Smorzatore MR (presso il Laboratorio)
2.2 Leghe a memoria di forma
I materiali a memoria di forma (SMA, Shape Memory Alloys) sono leghe metalliche caratterizzate due fasi
cristalline stabili a temperature differenti: la martensite e l’austenite. Le leghe più comuni e maggiormente
utilizzate sono quelle costituite da nickel e titanio, in virtù delle loro buone prestazioni e del costo
contenuto.
La struttura cristallina martensitica, stabile a bassa temperatura, è caratterizzata da un basso modulo
elastico, elevata duttilità e un comportamento plastico. La struttura cristallina austenitica, stabile ad alta
temperatura, presenta un elevato modulo elastico e un comportamento pseudoelastico. Il valore di
temperatura che separa gli intervalli di esistenza delle due fasi (temperatura di trasformazione) dipende
dalla composizione chimica della lega.
Mediante un opportuno trattamento termo-meccanico è possibile imprimere al materiale una forma
caratteristica (effetto memoria di forma) che esso cerca di recuperare se precedentemente deformato e
successivamente riscaldato sopra la temperatura trasformazione.
Sfruttando questo recupero della forma memorizzata è possibile realizzare attuatori di moto allo stato
solido, senza parti in movimento (se non il materiale stesso) caratterizzati dall’elevata densità di forza per
unità di peso (paragonabile alla tecnologia oleodinamica), assoluta silenziosità, funzionamento pulito e
senza scintille, possibilità di azionamento diretto senza giochi, facilità di integrazione meccatronica in virtù
del riscaldamento per effetti joule (circolazione di corrente elettrica nell’elemento a memoria di forma).
L’elemento a memoria di forma piò essere di differenti forme, anche se quelle più diffuse sono fili o molle
elicoidali. La deformazione che l’elemento può recuperare termicamente senza subire danni permanenti
varia normalmente tra il 3 e il 5% in funzione della vita attesa, ma può arrivare anche all’8% per poche
attivazioni.
Per realizzare un attuatore a memoria di forma è necessario accoppiare all’elemento SMA un elemento
antagonista capace di deformarlo. Tipicamente come elemento antagonista si utilizza un carico costante,
una molla elastica convenzionale, un secondo elemento attivo contrapposto o un sistema elastico non
convenzionale (compensazione elastica) che consente di realizzare dispositivi a forza costante.
Un ulteriore interessante applicazione è il funzionamento da attuatore-sensore intrinseco. L’elemento SMA
immerso in un determinato ambiente di lavoro può infatti fungere da sensore di temperatura e attuare
intrinsecamente un movimento qualora la temperatura dell’ambiente in cui si trova superi la temperatura
di trasformazione. Tutto ciò senza nemmeno bisogno di alimentazione esterna, in quanto la recupera
direttamente dall’ambiente di lavoro.
Un'altra proprietà delle leghe a memoria di forma è la superelasticità. Questo fenomeno si verifica quando
ad un elemento a memoria di forma che si trova a temperatura superiore alla temperatura di
trasformazione (ossia stato austenitico) viene applicata una sollecitazione meccanica. Tale azione provoca
la trasformazione della struttura cristallina da austenite a martensite. Tale trasformazione è
completamente reversibile (fino a deformazioni dell’8%) qualora la sollecitazione meccanica che l’ha
provocata venga rimossa. La particolarità di questo fenomeno, oltre agli elevati valori di deformazioni
permessi (da qui il nome di superelasticità) è legata al fatto che la deformazione del materiale avviene a
tensione pressoché costante. Sfruttando questo fenomeno è possibile quindi realizzare dispositivi a forza
costante, elementi limitatori di carico, sistemi di precarico.
Infine le leghe a memoria di forma presentano, sia in fase austenitica che in fase martensitica un’elevata
capacità smorzante, ossia hanno la capacità di dissipare molta energia durante la loro deformazione.
Questa caratteristica può essere sfruttata per realizzare sistemi allo stato solido di smorzamento, riduzione
delle vibrazioni e del rumore.
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Attuatore lineare a memoria di forma per applicazioni automobilistiche
2.3 Strutture efficienti per energy harvesting
La ricerca su dispositivi per il recupero di energia, che siano in grado di convertire l’energia liberamente
disponibile nell’ambiente in energia elettrica, è cresciuta significativamente. A questo scopo, la forma di
energia ambientale più adatta è quella cinetica, essendo pressoché ubiqua e facilmente accessibile. Tra le
differenti tecnologie di conversione, i dispositivi piezoelettrici per il recupero di energia sono tra i più
promettenti, grazie alla loro semplice configurazione ed alta efficienza di conversione. L’attività più
complessa riguarda l’individuazione di strutture multifrequenza, semplici ed efficienti, nell’intervallo di
vibrazioni ambientali.
L’attività di ricerca che si sta affrontando riguarda lo studio di strutture multifrequenza che realizzino in
modo efficiente la conversione di energia ambientale in energia elettrica. Attualmente si sono proposte e
studiate alcune strutture multifrequenza ispirate a geometrie frattali per il recupero di energia mediante
materiale piezoelettrico. Sia le simulazioni computazionali, sia le prove sperimentali ed infine la
realizzazione di un prototipo di convertitore piezoelettrico mostrano una buona conversione di energia su
differenti frequenze rispetto alle configurazioni tradizionali di convertitori.
4
=
3
=
2
=
1
=
100
0.2
1
0.267
Connessione elettrica
65
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100
PSI-5H4E
S235JR
3 Adesivi strutturali
Parole Chiave: adesivi, giunti strutturali, resistenza.
Aziende Coinvolte: Henkel SpA
Il progetto di ricerca sugli adesivi strutturali ha due obiettivi:
1) sviluppare metodi di calcolo semplici, generali, portabili, efficienti ed accurati per l’analisi delle
sollecitazioni nell’adesivo di giunzioni e strutture incollate;
2) individuare criteri di cedimento dell’adesivo utili per effettuare verifiche di resistenza ed affidabilità delle
costruzioni incollate.
La ricerca ha lo scopo finale di fornire al progettista industriale strumenti accessibili ed attendibili per la
previsione dell’affidabilità strutturale delle costruzioni incollate. L’attività analitica e computazionale è
affiancata da prove sperimentali. Una linea di ricerca specifica riguarda gli le giunzioni ibride forzate e
incollate mediante adesivi anaerobici. In questo caso l’obiettivo è valutare sia sperimentalmente che
numericamente un modello di micromeccanico del comportamento dell’adesivo, in grado di prevedere sia
la sua tensione di rottura sotto differenti livelli di pressione, sia l’energia spesa per portarlo fino a completo
collasso.
Software JointCalc (Henkel Loctite) per
il calcolo a resistenza di giunti incollati
Modello ridotto agli elementi finiti
di struttura incollata 3D
Campioni sperimentali per la caratterizzazione statica e dinamica di adesivi anaerobici
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4 Progettazione Meccanica
Parole Chiave: FEM, statica e dinamica strutturale, shock load, vibrazioni, multiphysics
Aziende Coinvolte: Lombardini Motori, Galtech S.r.l., ASK
4.1 Analisi statica e dinamica di organi di macchina
L’attività di ricerca in meccanica computazionale si occupa della simulazione complessa e
multiphysics dei sistemi meccatronici, nei quali intervengono aspetti di natura strutturale, dinamica,
elettrica, elettromagnetica e termica. L’attività riguarda sia problemi in campo lineare sia nonlineare, con particolare attenzione alla dinamica strutturale. Scopo della ricerca è di accelerare il
processo di sviluppo di macchine e sistemi dinamici complessi. Attraverso metodi computazionali è
anche sviluppato un filone sulla resistenza a fatica di componenti complessi come valvole e
distributori oleodinamici, attraverso metodi che consentono di limitare fortemente il numero di
prove sperimentali necessarie per validare un prodotto.
Modello di sospensione elastica antivibrante per
Modello FEM di Distributore in pressione (fatica)
cogeneratore termoelettrico
Risposta dinamica impulsiva di cassa acustica
in materiale composito per autoveicolo
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Analisi di impatto su copertura per
antenna radio automobilistica
Analis strutturale braccio fresa
Analisi modale albero a gomiti
4.2 Termomeccanica
Parole Chiave: ruote, poliuretano elastomerico, viscoelasticità, riscaldamento, fusione.
Aziende coinvolte: Tellure Rota S.p.A.
L’attività di ricerca in termomeccanica si occupa del fenomeno di riscaldamento e di degrado
termo-meccanico del rivestimento elastomerico di ruote e rulli per la movimentazione industriale. Il
fenomeno è prodotto dalla dissipazione viscoelastica del materiale, stimolata dall’azione combinata
di carico e rotazione delle ruote. La ricerca mira a sviluppare modelli teorico-sperimentali di
previsione della temperatura del rivestimento in funzione del carico, della velocità, della geometria
e del materiale delle ruote e ad individuare le condizioni limite di funzionamento del componente
per scongiurare il pericolo di danneggiamento termico.
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Prova dinamica su banco a rullo di
ruota con rivestimento elastomerico
Distribuzione di temperatura per dissipazione
viscoelastica nel rivestimento
140 °C
Effetto termomeccanico
Distribuzione delle temperature
4.3 Affidabilità di tubazioni in polietilene per trasporto di acqua
potabile
Parole Chiave: polietilene alta densità, disinfettanti, cloro, degrado.
Aziende coinvolte: ENIA S.p.A.
L’attività di ricerca riguarda l’effetto dei disinfettanti a base di cloro sulle tubazioni di polietilene ad
alta densità (HDPE), comunemente impiegate nelle moderne reti idriche per il trasporto di acqua
potabile. L’obiettivo della ricerca è stabilire se i disinfettanti a base di cloro, diffusamente impiegati
per potabilizzare l’acqua, siano responsabili di un degrado strutturale del materiale tale da causarne
il prematuro collasso. La ricerca prevede la realizzazione di un impianto sperimentale per
l’esposizione di campioni di tubo e provini “dog-bone”, in condizioni di temperatura,
concentrazione di cloro e pressione controllate attraverso un monitoraggio continuo tramite PC. I
disinfettanti considerati sono il diossido di cloro e l’ipoclorito. Il materiale esposto all’azione del
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disinfettante viene esaminato dal punto di vista della resistenza all’ossidazione (OIT) e delle
proprietà meccaniche a trazione.
Schema funzionale dell’impianto sperimentale di esposizione ai disinfettanti
Particolare della linea di esposizione tubo
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Particolare del serbatoio di esposizione provini
singoli
5 Progetto e Sviluppo di Sistemi Biomedicali polimerici
Parole Chiave: sistemi respirazione extracorporea, creep, rilassamento, poliuretano, adesivi sigillanti
Aziende coinvolte: SORIN S.p.A.
5.1 Rilassamento fibre TPU in sistemi biomedicali
The research activity is to analyze and model the mechanical behaviour of the extracorporeal SORIN heat
exchanger described in Figure 1, with particular attention to the manufacturing problems. The focus of the
project is to evaluate and assess the stresses in the mat during the assembling operations and the influence
of the mechanical parameters such as the tension during winding and the stresses due to the fitting into
the external case.
Extracorporeal oxygenator and heat exchanger
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Experimental test and FEM analyses on the capillaries and on the mat
The mat is press fitted into the rigid polycarbonate structure and the stress state due to the press fitting
may damage the criss-cross fibers.
Experimental test are carried out to assess the fiber properties and finite element techniques are adopted
to estimate the stress state.
The research activities led to a remodeling of the inner support of the mat with three possible shapes and
the further analyses were carried out to select the best shape in term of relaxation of the material and
residual stresses.
The improved geometry provided a good behaviour in term of pressure distribution, which do not affect
the heat transfer of the system, while providing a stress state acceptable in the material.
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5.2 Sviluppo di sensore di coppia low-cost
Parole Chiave: trasmissione meccanica, misura coppia, sensore low cost
Aziende coinvolte: COMER Industries S.p.A.
Il progetto si inserisce all’interno del laboratorio Isotractor, distretto della meccanica agricola. Grazie alla
misura della coppia, insieme ad altre grandezze, è possibile monitorare lo stato della macchina, rimuovere
condizioni di funzionamento pericolose, e pianificare interventi di manutenzione. La ricerca ha portato a
svincolarsi dal particolare riduttore in oggetto, e ha condotto ad una soluzione con caratteristiche
innovative, applicabile su una generica trasmissione meccanica di potenza. Il sistema, basato su celle di
carico solidali all’albero e alimentato tramite una macchina elettrica (alternatore) è stato brevettato ed è
attualmente in fase di sviluppo.
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6 Attrezzature Sperimentali e Computazionali
Le attrezzature di cui è dotato Settore Scientifico di Costruzione di Macchine nello svolgimento delle sue
attività di ricerca sono di carattere sperimentale e computazionale. Le principali sono:
- Rapid Prototyping – Dimension BST 768
- Acquisizione dati: National Instruments
- Prove su Materiali:
o Galdabini Sun 500
o MTS Bioniz 858
o Banco prova a fatica fili SMA
- Unità di calcolo: Workstation Xeon
- Dotazione software: CAD - CAE - DOE
6.1 Rapid Prototyping
E’ disponibile una macchina di prototipazione rapida, Dimension BST 768, della Stratasys per la
realizzazione di prototipi 3D, in ABS, direttamente da file CAD. La macchina è gestibile automaticamente via
software allo stesso modo di una stampante. La dimensione dello spazio di lavoro è di 203 x 203 x 305 mm,
con la possibilità di costruire assiemi più grandi mediante assemblaggio di componenti. Utile per la
realizzazione di prototipi fisici in modo rapido ed efficace.
Dimension BST 768
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Esempio di prototipo fisici: dimostratore Shape Memory
Alloy
6.2 Prove su materiali
6.2.1 Tensometro elettromeccanico Galdabini Sun 500
E’ disponibile un tensometro elettromeccanico, Galdabini SUN 500, con una capacità di 5kN ed una corsa
utile di 800 (mm). Per l’acquisizione della deformazione è disponibile un estensimetro a coltelli con corsa di
2 (mm) e base di misura 10 (mm). La macchina è controllata direttamente da un PC su cui è installato il
software dedicato, che gestisce anche l’estensimetro. Permette lo svolgimento di prove di
trazione/compressione su campioni di materiali o strutture con velocità di lavoro fino a 100mm/min.
Postazione Galdabini SUN 500
Trasduttore spostamento
6.2.2 Macchine di prova biassiale idraulica MTS Bionix 858
È una macchina servoidraulica per l’esecuzione di prove dinamiche assiali-torsionali combinate.
Le caratteristiche della macchina sono:
capacità assiale: ±25 kN
capacità torsionale: ±200 Nm
Tali azioni sono esercitabili simultaneamente ed associate a corse assiali di ±50 mm ed escursioni torsionali
di ±270°. La frequenza massima di funzionamento è di circa 50 Hz.
La macchina è asservita ad un sistema di controllo elettronico e fornita di un software di acquisizione dati
personalizzabile, attraverso i quali si possono condurre prove quasi statiche, cicliche, impulsive e random su
materiali e componenti di piccola e media taglia. La macchina si inserisce nell’ambito di linee di ricerca
attive presso il Dipartimento, riguardanti la caratterizzazione di materiali meccatronici, di materiali
viscoelastici e di adesivi strutturali.
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6.2.3 Banco di prova a fatica Fili SMA
Per lo studio della fatica dei fili a memoria di forma è stato progettato e realizzato un banco prova dedicato.
Nello specifico, il banco consente di caratterizzare a fatica funzionale fili a memoria di forma di diametro
fino a 0.5mm secondo quattro modalità differenti di contrasto: carico costante (isotensione), carico
costante con limitazione della deformazione massima, vincolato (isodeformazione), elemento elastico
(tensione-deformazione lineari). Il banco consente di realizzare le prove sia in condizioni di convezione
naturale che in convezione forzata.
Con questa attrezzatura è possibile ricavare le curve di Woehler (carico vs numero di cicli a rottura) del
materiale SMA e la deriva (o allungamento) del filo in funzione del numero di cicli,
Il banco è strumentato con una cella di carico (di diverse taglie a seconda del filo in prova), un sensore di
spostamento senza contatto, sensore temperatura aria ambiente, sensore corrente elettrica di
alimentazione del filo.
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L’intero banco prova è comandato via computer tramite un applicativo appositamente realizzato in
ambiente LabView, che insieme alla scheda di acquisizione dati gestisce anche il salvataggio in continuo
delle grandezze monitorate.
L’alimentazione del filo SMA è controllata elettronicamente in corrente e i parametri di alimentazione
(forma d’onda, ampiezza, frequenza) sono gestiti dal computer di supervisione.
Cella
carico
Telaio
Alimentaz.
filo
Filo
SMA
Ventola
raffred.
Sensore
posizione
Struttura
portante
Cuscinetto
Banco prova fatica funzionale per fili a memoria di forma
Interfaccia utente per il controllo e il monitoraggio del banco prova fatica fili SMA
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di
6.2.4 Attrezzature di prova per fluidi magnetoreologici in pressione
E’ stato sviluppato autonomamente una serie di attrezzature per valutare le prestazioni dei fluidi
magnetoreologici sotto l'azione combinata di campo magnetico e pressione interna.
Le tre attrezzature sotto riportate rispondono a tre esigenze diverse di prove sperimentali sui fluidi
magnetoreologici. La prima è utile per test in flow mode dinamico, la seconda in flow mode statico e la
terza in shear mode.
Un sensore di presssione Keller-Druck 25Y piezoresistivo a membrana affacciata è utilizzato per
monitatorare i livello di pressione in real time mentre il movimento è fornito dalla macchina universale MTS
Bionix sopra descritta.
(a)
(b)
(c)
Attrezzature per prove combinate pressione campo magnetico su fluidi magnetoreologici
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6.2.5 Unità di calcolo
E’ disponibile un server di calcolo a otto processori com 12GB di memoria DDR5 per analisi FEM con codici
di calcolo commericiali e modellazione 3D avanzata
6.2.6 Dotazione software
I software di calcolo a disposizione del gruppo di lavoro sono riepilogati nella tabella seguente.
Software
Campo di applicazione
SolidWorks
CAD 3D
SIMULATION
Analisi strutturale, cinematica, termo-fluidodinamica agli elementi finiti
Design Expert
Analisi di Design Of Experiment
ABAQUS
Analisi strutturale agli elementi finiti (specifico per problemi fortemente non lineari)
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