Static and dynamic weighing of rolling stocks by mean of a customized FBG-Sensorized-Patch

The structural health monitoring (SHM) of an infrastructure is of fundamental importance for the structure and people safety. Fiber Bragg Grating (FBG) sensors allow to design for each application, a tailored array of quasi-distributed sensors integrated to the infrastructure. To ensure the structural integrity of the railways is crucial to verify that the infrastructures comply with safety requirements to carry out their task. Railways rolling stock must comply with speed limits, the maximum number of wagons, maximum weight limit distributed on each axis of the wagons and the allowed number of trains on specific routes. The identification of the vertical load acting on each wheel is fundamental for the safety of a rolling-stock moving on a railway line. This paper presents the results of a test campaign on sensitive smart patches for static and dynamic weighing of trains. The system aims to generate a gripping system based on the magnetic force of a plastoferrite patch, taking advantage of the peculiarity that the rails are made of ferritic steel. This solution has the benefit of simplifying and speeding up the installation process and enabling a fast and easy removal or change in the configuration of the sensors array on the rail

Railway overhead contact wire monitoring system by means of FBG sensors

Safety of infrastructures represents one of the most significant concerns for governments and service providers to preserve people's well-being. One of the main ways to keep in safe facilities (buildings, bridges, railways, etc.) involves the use of monitoring sensor systems in charge of measuring critical operating conditions. Those measurements together with periodical maintenance, contribute to minimize potential risks that the infrastructure faces. The paper aims at designing, developing, and testing a monitoring system for mechanical stresses acting on the overhead contact wire (OCW) to ensure the operational safety of the railway network. In this regard, the paper proposes two Fiber Bragg Grating (FBG) sensors-based solutions, relying on the ability of these sensors to allow real-time and continuous data acquisition. The first one consists in a polyimide-coated sensor bonded on an OCW clamp, the second one is a copper-coated sensor hanging between the two separated halves of an OCW clamp. Significant results have been obtained mechanically testing both solutions, trying to simulate the operative conditions

CubeSat constellations for disaster management in remote areas

In recent years, CubeSats have considerably extended their range of possible applications, from a low cost means to train students and young researchers in space related activities up to possible complementary solutions to larger missions. Increasingly popular, whereas CubeSats are still not a solution for all types of missions, they offer the possibility of performing ambitious scientific experiments. Especially worth considering is the possibility of performing Distributed Space Missions, in which CubeSat systems can be used to increase observation sampling rates and resolutions, as well as to perform tasks that a single satellite is unable to handle. The cost of access to space for traditional Earth Observation (EO) missions is still quite high. Efficient architecture design would allow reducing mission costs by employing CubeSat systems, while maintaining a level of performance that, for some applications, could be close to that provided by larger platforms, and decreasing the time needed to design and deploy a fully functional constellation. For these reasons many countries, including developing nations, agencies and organizations are looking to CubeSat platforms to access space cheaply with, potentially, tens of remote sensing satellites. During disaster management, real-time, fast and continuous information broadcast is a fundamental requirement. In this sense, a constellation of small satellites can considerably decrease the revisit time (defined as the time elapsed between two consecutive observations of the same point on Earth by a satellite) over remote areas, by increasing the number of spacecraft properly distributed in orbit. This allows collecting as much data as possible for the use by Disaster Management Centers. This paper describes the characteristics of a constellation of CubeSats built to enable access over the most remote regions of Brazil, supporting an integrated system for mitigating environmental disasters in an attempt to prevent the catastrophic effects of natural events such as heavy rains that cause flooding. In particular, the paper defines the number of CubeSats and the orbital planes required to minimize the revisit time, depending on the application that is the mission objective. Each CubeSat is equipped with the suitable payloads and possesses the autonomy and pointing capabilities needed to meet the mission requirements. Thanks to the orbital features of the constellation, this service could be exploited by other tropical countries. Coverage of other areas of the Earth might be provided by adjusting the number and in-orbit distribution of the spacecraft

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to severalepisodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided withmechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components ofsuch systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture andpollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, arelated nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersinkmachined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. Themachined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardeningstainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by themanufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the pistoninside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of thematerial, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples bymeans of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the systemseizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzingthe criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were comparedwith system design and working data

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to several episodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided with mechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components of such systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture and pollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, a related nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersink machined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. The machined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardening stainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by the manufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the piston inside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of the material, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples by means of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the system seizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzing the criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were compared with system design and working data

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to several episodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided with mechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components of such systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture and pollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, a related nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersink machined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. The machined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardening stainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by the manufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the piston inside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of the material, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples by means of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the system seizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzing the criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were compared with system design and working data

Smallsat high-energy missions using ablative pulsed plasma thrusters

Faculdade UnB Gama (FGA

STUDIO E SPERIMENTAZIONE DI MATERIALI E SENSORI INTELLIGENTI BASATI SU TECNOLOGIA FBG

I sensori FBG vengono utilizzati per il monitoraggio dello stato dell’integrità strutturale dei componenti industriali. Essi mostrano diversi vantaggi rispetto ai sensori tradizionali. Il più immediato è la loro possibilità di lavorare in presenza di interferenze elettromagnetiche (per quanto elevate possano essere) ed in altre condizioni avverse, in ambienti particolarmente aggressivi (harsh) in cui si trovino in presenza di temperature elevate (o ancora peggio forti escursioni termiche) pressioni elevate ed elevati valori di umidità relativa (RH%); non mostrano problemi a lavorare in ambienti sporchi, presenza di solventi, grasso o polvere e concentrazioni di specie inquinanti. Sono caratterizzati da una elevata sensibilità nella misura, in particolare di grandezze quali deformazioni e temperatura e l’evoluzione degli strumenti di elaborazione del segnale ottico consentono oggi una straordinaria risoluzione di tali misure. Grazie alle loro dimensioni contenute e al peso ridotto hanno mostrato una ottima affinità all’inglobamento all’interno dei materiali oltre al mero incollaggio superficiale. La possibilità consentita dalla multiplexabilità dei sensori, in serie su una stessa dorsale, permette di realizzare un sistema nervoso dell’oggetto da monitorare. La fibra ottica rappresenta un sistema passivo (non alimentato) di trasporto del segnale, questo le consente l’utilizzo in ambienti infiammabili o a rischio esplosioni. L’ambito dei controlli non distruttivi si arricchisce giorno dopo giorno di nuovi strumenti che migliorano la risoluzione delle verifiche dell’integrità strutturale di un componente operativo. La difficoltà rimane ancora quella di riuscire ad intervenire per tempo in caso di manifestazione di un danno, prima di arrivare alla failure del sistema che potrebbe avere conseguenze catastrofiche. Nasce così l’esigenza di un monitoraggio in tempo reale della salute di una struttura (SHM, Structural health monitoring), uno strumento che consenta: - una sensibilità distribuita (punti sensibili discreti, distribuiti su un array strutturato); - costi ragionevoli; - durata del sistema di monitoraggio pari al tempo di vita operativo della struttura in esame; - deve essere perfettamente integrabile nel componente strutturale. Tale strumento potrebbe diventare, grazie all’impiego di questi sensori, la struttura stessa, in altre parole, potrebbe essere la struttura che monitora autonomamente la propria integrità, lo stato delle proprie caratteristiche meccaniche e che è in grado di comunicarle ad un sistema di gestione centrale dei dati che si attiva per intervenire in caso di necessità. Prendiamo ad esempio un ponte che ha subito gli effetti di un terremoto ed in apparenza è rimasto intato, un sistema integrato sarebbe in grado di verificare lo stato della struttura e comunicarlo alla manutenzione. È straordinario ma è solo il punto di partenza di quelle che oggi vengono definite strutture intelligenti (smart structures), strutture in grado di monitorarsi, raccogliere i dati, analizzarli e quindi intervenire, reagendo a quelle che possono essere variazioni dei parametri ambientali con cui interagisce nella sua vita operativa. Strutture, il discorso è valido in qualsiasi ambito dell’Ingegneria, che devono essere progettate per assumere un comportamento quasi biologico (bio- behavior). Punto di partenza delle strutture intelligenti sono, con ovvia ripetizione dei termini, i materiali intelligenti. La mia ricerca si è rivolta proprio allo studio di materiali intelligenti per quello che rappresenta un primo passo di un sistema che possa portare, in seguito, a strutture reattive, ovvero lo sviluppo di materiali sensibili. Studiando le problematiche relative all’inglobamento dei sensori all’interno dei materiali (in particolare i laminati in composito da impiego strutturale) si è in grado di progettare una rete neurale che, in maniera quasi-distribuita, percorra l’intera struttura, permettendo un controllo in continuo ed in tempo reale, e per tutta la durata della vita operativa del componente in oggetto. Il riferimento ai sensori intelligenti, nel titolo, è legata alla capacità dei sensori FBG di adattarsi a condizioni avverse, impossibili per altre tecnologie, mostrandosi in grado di misurare, simultaneamente ed in tempo reale, grandezze diverse, permettendone, con i dovuti accorgimenti, la perfetta distinzione delle rispettive variazioni. E questo in quanto i sensori FBG sono caratterizzati da un’incredibile versatilità, sono sensibili a qualsiasi cosa sia in grado di variare quella che è la loro grandezza caratteristica, ovvero l’indice di rifrazione che ne permette la trasmissione del segnale e che ne caratterizza il passo delle frange del reticolo La questione principale è l’inglobamento delle fibre ottiche nella struttura in modo che l’integrità della stessa non venga compromessa e assicurando che l’interfaccia tra la fibra ottica e il materiale circostante permetta un’accurata misura degli effetti ambientali di interesse. Il campo dei materiali di interesse comprende il fibre di carbonio in matrice epossidica, i termoplastici, il cemento per quanto riguarda le basse temperature; mentre per temperature molto elevate di usa il titanio e l’acciaio. Il limite pratico per la temperatura di poco inferiore ai 1000°C, oltre la quale la migrazione degli agenti droganti dal core della fibra diventa un problema rilevante. Per inglobare le fibre ottiche efficacemente nei vari materiali, l’importanza del rivestimento è fondamentale. Il primo ruolo del rivestimento è proteggere la fibra dal vapore condensato che, penetrando in una struttura che presenta delle micro cricche sulla superficie della fibra, contribuisce alla loro propagazione. Il secondo ruolo è costituire l’interfaccia appropriata tra la fibra ottica e il materiale ospitante, permettendo una misura adeguata dei parametri ambientali monitorati. Per i materiali non omogenei come i compositi è importante che il coating sia chimicamente compatibile con la resina del materiale ospitante, oltre a tener conto dell’orientazione della fibra di vetro rispetto a quelle di rinforzo e delle sue dimensioni rispetto allo spessore del coating: i risultati migliori generalmente si ottengono al diminuire della dimensione della fibra e facendo correre la fibra parallela alla componente della forza agente sulle fibre del materiale composito. Dopo aver posizionato le fibre ottiche sorge la questione dell’ingresso e dell’uscita della fibra dalla struttura mediante i connettori. Per inglobare i connettori con successo bisogna provvedere ad un alleviamento delle deformazioni e proteggere le fibre nei punti di ingresso e uscita, dove sono più vulnerabili. Bisogna poi scegliere la tecnica di multiplexing adatta a supportare il numero richiesto di sensori lungo una singola linea. Le più utilizzate sono il multiplexing per suddivisione della lunghezza d’onda, dove ogni sensore è individuato da una lunghezza d’onda, e il multiplexing per suddivisione del tempo, che individua i sensori per la posizione occupata al momento del passaggio dell’impulso. Successivamente l’informazione è inviata dai molteplici sensori all’elaborazione, completando la trasformazione da segnali a dati in forma tale da essere poi manipolata da un sistema di controllo centrale. La sfida di trovare vie più convenienti (cost-effective) per ridurre i costi di manutenzione e migliorare la sicurezza strutturale, il bisogno di sistemi di ispezione migliori. La spinta a realizzare sistemi di sensori integrati (built-in sensors system) è quella di migliorare i sistemi per monitorare i carichi operativi. senza necessità di fermare l’azione del sistema monitorato. In molte applicazioni la conoscenza dei carichi operativi è generalmente molto bassa, molti miglioramenti possono essere ottenuti incorporando (inglobando) i sensori nelle strutture. Nel primo capitolo del presente lavoro di tesi, vengono presentati gli argomenti che sono stati trattati nel corso del Dottorato, a cominciare con un’introduzione alle smart structures, partendo da quelle autodiagnosticanti (che necessitano di un sistema di monitoraggio come quello a cui si è accennato) fino ad arrivare alle intelligent structures, le strutture a bio-behavior, che potrebbero essere meglio definite come strutture reattive. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnologia dei sensori a reticolo di Bragg, ovvero lo strumento utilizzato per tutta l’attività di ricerca. Il terzo capitolo affronta l’argomento della compensazione termica, ovvero, dei metodi e tecniche da adottare per disaccoppiare le misure effettuate con i sensori FBG dalle variazioni di temperatura. Nel quarto capitolo viene proposta una piccola introduzione ai materiali compositi, che già intrinsecamente rappresentano il concetto di materiale intelligente in quanto ingegnerizzato (progettato su misura a seconda delle condizioni operative, taylored, abusando di un termine inglese che rende perfettamente l’idea). Nel quinto capitolo si prova a risolvere alcuni dei problemi relativi all’inglobamento dei sensori nei laminati in composito

Metallurgia di base per l’ingegneria

Il testo è rivolto agli studenti dei corsi di ingegneria con l’intento di fornire una formazione di base sulla metallurgia. Nei primi tre capitoli sono trattate le nozioni di metallurgia fisica che sono di supporto ai capitoli successivi in cui vengono trattati argomenti più pratici finalizzati all’ingegneria. In particolare viene trattato il legame metallico e i reticoli cristallini tipici dei metalli. Successivamente vengono descritti i difetti presenti nei reticoli cristallini che profondamente influenzano le caratteristiche fisiche, meccaniche e di lavorabilità dei metalli e delle leghe metalliche. Vengono infine esaminate le trasformazioni di fase liquido–solido e i diagrammi di stato la cui conoscenza è fondamentale per un corretto impiego dei materiali, per le loro lavorazioni e per valutarne i limiti di applicazione. Seguono due capitoli in cui vengono descritte le principali caratteristiche meccaniche dei metalli e leghe (limite elastico, carico di rottura, modulo elastico, durezza, tenacità e usura) e le prove per determinarle, considerando tutti i fattori che influenzano profondamente tali caratteristiche. Nel sesto capitolo vengono trattati i principali trattamenti termici finalizzati all’ottenimento di determinate caratteristiche meccaniche e di lavorabilità. Gli ultimi tre capitoli sono rivolti al comportamento meccanico dei materiali se soggetti a particolari condizioni operative: quando operano a temperature elevate (fenomeno dello scorrimento viscoso), quando sotto particolari condizioni di lavorazione o ambientali con presenza di difetti sono soggetti alle leggi della meccanica della frattura elasto–plastica, o quando soggetti a carichi ciclici subiscono il fenomeno della fatica. Seguono due appendici. Nella prima vengono presentate e descritte sinteticamente le principali leghe metalliche di maggior uso ingegneristico. Nella seconda vengono descritte le tecniche di preparazione dei provini metallografici e le principali metodologie di indagine e osservazione delle strutture delle leghe e delle loro superfici di frattura