La simulazione numerica come metodica di analisi di materiali e prodotti R. Specogna, F. Trevisan Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica.

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1 La simulazione numerica come metodica di analisi di materiali e prodotti
R. Specogna, F. Trevisan Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestionale e Meccanica Università degli Studi di Udine

2 Come conciliare la domanda con l’offerta?
Maxwell formula equazioni differenziali from 1950 Il calcolatore richiede equazioni algebriche Come conciliare la domanda con l’offerta? ...

3 Discretizzazione eq. differenziali
Equazioni DIFFERENZIALI Equazioni ALGEBRICHE Finite Difference in Time Domain Method of Moments Edge Elements Finite Element Method Least Square Method Boundary Element Method Finite Integration Theory Spectral Method Finite Volume Method Finite Difference Method Equazioni ALGEBRICHE Equazioni DIFFERENZIALI ...

4 Approccio Geometrico Discreto
Riformulazione delle leggi fisiche dell’elettromagnetismo in forma geometrica discreta (algebrica) ed esatta. Le equazioni nascono già discrete (algebriche) pronte per poter essere risolte dal calcolatore

5 Si sfrutta la struttura geometrica dietro alle leggi fisiche di Maxwell
Kron (“Equivalent circuit of the field equations of Maxwell”, 1944); Branin (“The Algebraic-Topological Basis for Network Analogies and the Vector Calculus”, 1966); Yee (“Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media”, 1966); Tonti (“The Algebraic - Topological Structure of Physical Theories”, 1974); Weiland (“A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields”, 1977); Bossavit (“How weak is the Weak Solution in finite elements methods?”, 1988).

6 Nostro contributo teorico: scrittura delle equazioni costitutive per TETRAEDRI e POLIEDRI
R. Specogna, F. Trevisan “Discrete constitutive equations in A-c geometric eddy-currents formulation, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, No. 4, April 2005, pp F. Trevisan, L. Kettunen ``Geometric interpretation of finite dimensional eddy current formulations'', International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 67, Iss. 13, 2006, pp L. Codecasa, R. Specogna, F. Trevisan ``Symmetric Positive-Definite Constitutive Matrices for Discrete Eddy-Current Problems'', IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 42, No. 2, 2007, pp R. Specogna, S. Saku, F. Trevisan “Geometric T-W approach to solve eddy-currents coupled to electric circuits”, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 74, Iss. 1, 2008, pp L. CODECASA, R. SPECOGNA, TREVISAN F. (2009). Subgridding to Solving Magnetostatics within Discrete Geometric Approach. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 45; p , ISSN: R. Specogna, F. Trevisan, A discrete geometric approach to solving time independent Schrodinger equation, J. Comput. Phys. (2010), doi: /j.jcp

7 Applicazioni di interesse industriale
Sviluppato il software: G A M E (Geometric Approach to Maxwell’s Equations) per la simulazione numerica di dispositivi elettrici e magnetici 2D e 3D

8 A cosa serve la simulazione numerica?
La simulazione permette di velocizzare ed ottimizzare il progetto di dispositivi elettromagnetici.

9 Il codice G A M E G A M E risolve problemi di: Elettrostatica;
Conduzione stazionaria; Magnetostatica; Correnti indotte (nel tempo ed in frequenza); Elettro-quasistatica (nel tempo ed in frequenza); Propagazione elettromagnetica (nel tempo ed in frequenza); Calcolo delle forze.

10 è particolarmente adatto per risolvere
G A M E è particolarmente adatto per risolvere problemi elettromagnetici accoppiati Problemi termici; Problemi strutturali.

11 Collaborazione scientifica tra DIEGM e Danieli AUTOMATION
Richiesta: controllo di qualità in linea sui tondi conduttori caldi First of all, this work is in the framework of a cooperation between the University of Udine and the Danieli company. This company is among the top 3 suppliers of equipment and plants for the metal industry. 3) Especially, this industry is world leader in long products rolling mills. They have the concrete need to in-line detect flaws on the surface of the extruded rods.

12 Rilevazione dei difetti lunghi
Difetti corti (da 1 a10 mm). Facilmente identificabili mediante coppie di avvolgimenti differenziali Difetti lunghi (da 1 m a 100 m) E’ necessario usare un sistema di misura assoluto Il problema è ”challenging” Temperatura della barra: 800 – 1200 °C. Velocità della barra: 5 – 100 m/s. Vibrazioni sulla barra: fino a 1 – 2 mm. Non esistono soluzioni pratiche per la rilevazione di difetti lunghi. The short surface flaws have a length from 1 to 10 mm. This defects are easy to detect with by a differential system and many commercial devices are available. However, what is difficult is to detect long surface flaws, which lenght can be from 1 meter to hundreds of meters. This is difficult because an absolute technique has to be used. The problem is actually quite challenging, mainly because of the temperature of the rod, ranging from 800 to 1200 degrees, the speed of the rod, which can reach 100m/s, and the vibrations of the rod, which are up to 2mm. Up to now, no practical solution exists to detect long flaws.

13 Applicazione di G A M E alla diagnostica elettromagnetica non invasiva
Sviluppo di dispositivi per l’identificazione dei difetti lunghi in tondi conduttori caldi. I dispositivi sono stati progettati ed ottimizzati sulla base di simulazioni elettromagnetiche 3D di correnti indotte mediante il software G A M E. I prototipi dei dispositivi sono stati realizzati e testati nel laboratorio della Danieli Automation.

14 Primo prototipo del dispositivo
La barra conduttrice Dc, modellizzata come un cilindro (34 mm diametro). Dc Una coppia di bobine Ds induce correnti azimutali in Dc (200 mA/spira, 7 turns, 100kHz). Ds Si considera un difetto volumetrico Df. “Long” flaw Sezione barra calda lift–off 15 mm. variazioni di e.m.f. in ciascuna delle 12 bobine di ricezione (in giallo) La barra conduttrice Dc è modellata come un cilindro di 34mm di diametro. Delle correnti azimutali sono indotte sulla superficie della barra da due bobine Ds, a 100kHz. Il problema perturbato è ottenuto da quello imperturbato aggiungendo la regione isolante Df. In figura è possibile vedere una sezione della barra in prossimità del difetto. L’altezza del difetto è 0.5mm, mentre la sua larghezza è 0.2mm. Dato che la barra è calda, il lift off minimo è valutato a 15mm. Il difetto è rilevato dalla variazione di tensione sulle 12 bobine di pick-up, rappresentate in giallo in figura.

15 Variazioni di tensione calcolate con GAME (A-c eT-W formulazioni) e confrontate con con altri codici (CARIDDI). Le 12 variazioni di tensione sono state simulate dal codice GAME utilizzando entrambe le formulazioni. I risultati sono in accordo tra loro e sono stati validati tramite il codice integrale CARIDDI.

16 Sviluppo sperimentale
tesi sperimentale M. Papais e L. Luisa Simulazione Progetto Il codice GAME è stato validato da numerosi altri benchmarks nel framework dei già citati progetti PRIN. Realizzazione sperimentale

17 Problema Necessità di un nuovo progetto tesi A. Mattaloni, F. Stefanutti Il dispositivo risulta troppo sensibile al decentramento della barra. Il dispositivo proposto risulta molto sensibile a decentramento della barra dovuto alle vibrazioni della barra stessa. Un nuovo dispositivo in corso di brevetto è stato sviluppato e testato sperimentalmente nel laboratorio della Danieli.

18 Nuova idea progettuale basata su
correnti indotte longitudinali

19 Sviluppo di una versione specifica del codice G A M E
Difetto Decentramento

20 Tensioni elettriche simulate con G A M E

21 Realizzazione del secondo prototipo
BOBINE ECCITAZIONE BOBINE PICK-UP SUPPORTO BOBINE SCHEDA BOBINE ECCITAZIONE SCHEDA BOBINE PICK-UP

22 IRONSCAN Scanner elettromagnetico per oggetti metallici sepolti, armature in cemento armato, ecc.. Tra i cinque premiati a StartCup Udine 2009. Vincitore del premio speciale terremoto StartCup Udine 2009. Quinto classificato a StartCup FVG 2009.

23 Electro-quasi-statics for fusion reactor ITER
Study of disk spacer electro-quasi-static behaviour. P. Bettini, R. Specogna, F. Trevisan, "Electroquasistatic analysis of the Gas Insulated Line for the ITER Neutral Beam Injector'', IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, Iss. 3, 2009, pp

24 Micro electro-mechanical systems (MEMS)
Coupling between electrostatics and elastostatics. Many comparisons with FEM. P. Bettini, E. Brusa, M. Munteanu, R. Specogna and F. Trevisan, "Innovative numerical methods for nonlinear MEMS: the Non-Incremental FEM vs. the Discrete Geometric Approach”, CMES: Computer Modeling in Engineering & Sciences, Vol.33, No.3, 2008, pp , regular paper. P. Bettini, E. Brusa, M. Munteanu, R. Specogna, F. Trevisan "Static behaviour prediction of microelectrostatic actuators by discrete geometric approaches", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 44, Iss. 6, June 2008, pp

25 in collaborazione con Dipartimento di Scienze Animali (DIAN)
Studio e realizzazione di un sistema innovativo nel settore della pesca marina in collaborazione con Dipartimento di Scienze Animali (DIAN) SCOPO: ottimizzare l’effetto di stordimento nei pesci in acqua di mare, mediante campi elettrici evitando le possibili lesioni ai pesci stessi.

26 Collaborazione scientifica: con il gruppo del CRO, guidato dal dr. L
Collaborazione scientifica: con il gruppo del CRO, guidato dal dr. L. De Marco, con competenze sullo studio della adesione e aggregazione piastrinica in condizioni di flusso. Problema: sviluppo di un dispositivo per test funzionali in vitro su emostasi Scopo: valutazione e misurazione della formazione del trombo all’interno di capillari artificiali rivestiti con diverse sostanze della matrice cellulare, in condizioni di flusso, sia arterioso che venoso. Idea progettuale: utilizzo delle tecniche di diagnostica elettromagnetica non invasiva, in collaborazione con dott. Antonio Affanni.

27 Obiettivo. Sviluppo di dispositivo basato
Progettare un sistema sorgenti di campo elettrico variabile nel tempo nel sangue intero in condizioni di flusso ed i corrispondenti sensori. Obiettivo. Sviluppo di dispositivo basato 2.1) sull’accoppiamento capacitivo; 2.2) sulle correnti iniettate (resistivo); 2.3) sull’accoppiamento induttivo (correnti indotte). Senza contatto con il sangue Contatto con il sangue sorgenti sensori canale

28 lunghezza di canale di 9 mm
canale con lato 300 mm Piste 150 µm, passo tra i contatti 300 µm Aggregante piastrinico

29 Distribuzione del trombo (macchie bianche) nel vetrino sopra il canale nella fase finale

30 Conduttanza calcolata senza resistenze di contatto ed in conduzione stazionaria mediante G A M E
Simulazioni al crescere del trombo nella sezione del canale mm mm mm mm mm mm

31 Realizzazione del prototipo e del sistema di misura

32 Sperimentazione: andamenti temporale della parte reale dell’ammettenza (conduttanza misurata) a diverse frequenze E’ confermata la fase di crescita della conduttanza durante la formazione del trombo; fenomeno previsto dalla simulazione

33 Ammettenza senza trombo Ammettenza con trombo
Modello circuitale Sintesi di una rete elettrica non lineare che rappresenti la formazione del trombo

34 Conclusioni