La simulazione numerica come metodica di analisi di materiali e prodotti

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. from 1950 Maxwell formulaequazioni differenziali Il calcolatore richiedeequazioni algebriche Come conciliare la domanda con l’offerta? ...

3. Equazioni ALGEBRICHE SpectralMethod Edge Elements Finite IntegrationTheory Finite Difference in Time Domain Least Square Method Finite Volume Method Boundary Element Method Finite ElementMethod Method of Moments Finite DifferenceMethod Equazioni DIFFERENZIALI Discretizzazioneeq. differenziali Equazioni ALGEBRICHE Equazioni DIFFERENZIALI ...

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

5. Si sfrutta la strutturageometricadietroalleleggifisichedi 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(“Numericalsolutionofinitialboundaryvalueproblemsinvolving Maxwell's equations in isotropic media”, 1966); • Tonti (“The Algebraic - Topological Structure of Physical Theories”, 1974); • Weiland (“A discretizationmethodfor the solutionofMaxwell'sequationsforsix-componentfields”, 1977); • Bossavit (“How weak is the Weak Solution in finite elements methods?”, 1988).

6. Nostrocontributoteorico: scritturadelleequazionicostitutive 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. 1259-1263. 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. 1888-1908. 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. 510-515. 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. 101-115. L. CODECASA, R. SPECOGNA, TREVISAN F. (2009). Subgridding to Solving Magnetostatics within Discrete Geometric Approach. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 45; p. 1024-1027, ISSN: 0018-9464. R. Specogna, F. Trevisan, A discrete geometric approach to solving time independent Schrodinger equation, J. Comput. Phys. (2010), doi:10.1016/j.jcp.2010.11.007.

7. Applicazioni di interesse industriale Sviluppato il software:G A M E (GeometricApproachtoMaxwell’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. 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

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 esistonosoluzionipratiche per la rilevazione di difettilunghi.

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 DanieliAutomation.

14. Primo prototipo del dispositivo La barra conduttrice Dc, modellizzata come un cilindro (34 mm diametro). Ds Una coppia di bobine Ds induce correnti azimutali in Dc (200 mA/spira, 7 turns, 100kHz). Ds “Long” flaw Si considera un difetto volumetrico Df. barracaldalift–off 15 mm. Dc Sezione variazioni di e.m.f. in ciascuna delle 12 bobine di ricezione (in giallo)

15. Variazioni di tensione calcolate con GAME (A-ceT-W formulazioni) e confrontate con con altri codici (CARIDDI).

16. Svilupposperimentale tesi sperimentale M. Papais e L. Luisa Simulazione Progetto Realizzazionesperimentale

17. Problema Il dispositivorisultatropposensibile al decentramentodellabarra. Necessità di un nuovoprogetto tesi A. Mattaloni, F. Stefanutti

18. Nuova idea progettualebasatasu correntiindottelongitudinali

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 elettromagneticoper oggettimetallicisepolti, armature in cementoarmato, ecc.. Traicinquepremiati a StartCup Udine 2009. Vincitore del premiospecialeterremotoStartCup Udine 2009. Quintoclassificato 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. 996-999.

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 numericalmethodsfornonlinear MEMS: the Non-Incremental FEM vs. the Discrete GeometricApproach”, CMES: Computer Modeling in Engineering & Sciences, Vol.33, No.3, 2008, pp. 215-242, regular paper. P. Bettini, E. Brusa, M. Munteanu, R. Specogna, F. Trevisan "Staticbehaviourpredictionofmicroelectrostaticactuatorsby discrete geometricapproaches", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 44, Iss. 6, June 2008, pp. 1606-1609.

25. 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. 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 Idea progettuale: utilizzo delle tecniche di diagnostica elettromagnetica non invasiva, in collaborazione con dott. Antonio Affanni. 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.

27. Progettareun sistema sorgentidi campo elettricovariabile nel tempo nel sangue intero in condizioni di flusso ed i corrispondenti sensori. Obiettivo. Sviluppo di dispositivo basato 2.1) sull’accoppiamentocapacitivo; 2.2) sullecorrenti iniettate (resistivo); 2.3) sull’accoppiamentoinduttivo(correnti indotte). Contatto con il sangue Senza contatto con il sangue canale sorgenti sensori

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