POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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Study on single-delta bridge-cell converter with adjustable active power
No full textLAUREA MAGISTRALEL’integrazione sempre più diffusa di fonti di energia rinnovabile, come l’eolico e il foto voltaico, ha introdotto problemi significativi nella struttura dei sistemi elettrici in corrente
alternata. A differenza dei generatori sincroni tradizionali, le risorse basate su inverter op erano generalmente in modalità "grid-following" e non possiedono capacità intrinseche di
regolazione della tensione e della frequenza. Questo ha sollevato preoccupazione riguardo
alla stabilità del sistema di trasmissione, portando all’adozione di alcuni dispositivi di sup porto alla rete, come gli STATCOM. Tuttavia, gli STATCOM convenzionali, in particolare
quelli basati sui convertitori multivello, sono limitati allo scambio di potenza reattiva e
non sono in grado di regolare la potenza attiva o contribuire alla stabilizzazione della
frequenza. Questo limite è stato recentemente superato grazie allo sviluppo di sistemi
STATCOM equipaggiati con grandi impianti di accumulo energetico.
Questa tesi si propone di studiare il potenziale di un convertitore multilivello modifi cato, sviluppato dal Power Electronics Laboratory del Tokyo Institute of Science, come
possibile STATCOM di nuova generazione. Infatti, grazie all’integrazione di un converti tore monofase aggiuntivo e alla capacità di controllare la potenza attiva, il convertitore è
stato analizzato attraverso diverse strategie di controllo interattive con la rete, incluse le
modalità in "grid-forming".
I principali contributi di questo lavoro includono lo sviluppo di un modello realistico di
rete per simulazioni e prove sperimentali, l’implementazione di un sistema di sincroniz zazione con la rete, e la progettazione di strategie di controllo basate su "droop" e inerzia
virtuale. Inoltre, è stato proposto un nuovo metodo per la regolazione della tensione DC
interna, che migliora le prestazioni complessive del sistema. I risultati ottenuti, sia in
simulazione che in ambiente sperimentale, confermano la capacità del SDBC di fornire
contemporaneamente compensazione della potenza reattiva e supporto alla frequenza di
rete; questo rappresenta un importante passo avanti nella ricerca su questo convertitore.The increasing integration of renewable energy sources, such as wind and solar, has in troduced significant problems in the structure of AC power systems. Unlike traditional
synchronous generators, inverter-based resources typically operate in grid-following mode
and lack intrinsic voltage and frequency regulation capabilities. This has raised concern
over system stability, inducing the adoption of some grid-supporting devices, like static
synchronous compensators (STATCOMs). However, conventional STATCOMs, especially
those based on modular multilevel cascade converters, are limited to reactive power ex change and cannot regulate active power and contribute to frequency stabilization.
However, this issue has been recently overcame by building STATCOM systems equipped
with large energy sources.
This thesis investigates the potential of a modified single-delta bridge-cell converter, de veloped by the Power Electronics Laboratory at the Tokyo Institute of Science, as a next generation STATCOM. In fact, with an additional single-phase converter and active power
control capability, the upgraded SDBC has been evaluated under various grid-interactive
control strategies, including grid-forming methods.
Key contributions of this work include the development of a realistic grid model for both
the simulation and the experimental setup, the implementation of a phase-locked loop,
and the design of droop and virtual inertia control strategies. Additionally, an improved
internal DC voltage regulation method has been proposed, which enhances the system
performances. Experimental and simulation results validate the SDBC’s capability to
provide both reactive power compensation and frequency support, making a significant
step forward in the research about this converter configuration
X-ray diffraction NDT for the assessment of residual stresses in post-tensioned reinforced concrete beams
No full textLAUREA MAGISTRALEIn questa tesi viene valutata l’accuratezza delle prove di Diffrazione a Raggi X (XRD) per la valutazione delle tensioni residue nei trefoli di travi in calcestruzzo armato post-tese. Il lavoro si basa su modelli teorici validati e su normative diffuse che descrivono il fenomeno e si prefige di esaminare la validità in campo civile di questa tecnica, molto diffusa nel campo della tecnologia dei materiali, con molteplici esperimenti. La ripetibilità della prova XRD è valutata applicando la tecnologia a modelli di trave basati sui più comuni elementi strutturali post-tesi.
La tesi inizia con un’introduzione alla storia, all’applicazione e alle problematiche relative alla tecnologia, nonché alle principali motivazioni alla base di questa ricerca. Nel capitolo 2 l’argomento è lo stato dell’arte della post-tensione e in particolare il problema delle perdite di carico nei cavi da post-tensione. Questa tecnologia molto diffusa è presente in infrastrutture in stato di degrado e il problema della sicurezza in relazione al mantenimento delle tensioni di progetto può essere affrontato in modo significativo con delle Prove Non Distruttive (NDT). Il capitolo 3 è dedicato alla XRD e allo stato dell’arte di questa tecnologia emergente.
Il capitolo 4 illustra la progettazione degli esperimenti. Utilizzando il quadro teorico e gli obiettivi di ricerca definiti nei capitoli precedenti, i provini sono progettati con gli strumenti e i vincoli del laboratorio del Politecnico di Milano. Lo sviluppo degli esperimenti è descritto anche con documentazione fotografica. L’ultimo capitolo è incentrato sulla descrizione dei risultati. Lo studio è suddiviso in esperimenti meccanici e prove XRD, i primi utilizzando celle di carico e LVDT per il monitoraggio e le seconde emettitori di raggi X e post-processing. Il risultato della ricerca è un’analisi completa di un modello fisico delle condizioni di prova in situ.In this thesis, the accuracy of X-Ray Diffraction (XRD) testing for the assessment of residual stresses in the tendons of post-tensioned reinforced concrete beams is evaluated. The work is based on validated theoretical models and widespread norms that describe the phenomenon and addresses the validity of application to civil structures of this established technology in material science with multiple experiments. The repeatability of the XRD test is evaluated by way of applying the technology on beam models based on the most common post-tensioned structural elements.
The thesis starts with an introduction of the history, application and issues related to the technology as well as the main reasoning behind this research. In chapter 2 the focus is the state of the art of post-tensioning and in particular the issue of tension losses in tendons. This prevalent technology is present in many decaying infrastructures and the issue of reliability as it relates to the maintenance of the design tensions can be meaningfully addressed with Non Destructive Testing (NDT). Chapter 3 is on XRD and the state of the art of this emerging technology.
Chapter 4 goes over the design of the experiments. Using the theoretical framework and research goals defined in the previous chapters, the specimens are designed with the tools and restrictions of the laboratory in Politecnico di Milano. The development of the experiment is also described with photographic documentation. The last chapter is focused on the description of the results. The study is divided in mechanical experiments and XRD testing, the first making use of load cells and LVDT for monitoring and the
second X-Ray emitters and post processing. The outcome is a well rounded examination of a physical model of in-situ testing conditions
Correlating driving behaviour and energy consumption by developing an EV simulator
No full textLAUREA MAGISTRALELe crescenti preoccupazioni per le emissioni di CO2 e il riscaldamento globale stanno
incentivando l’elettrificazione del settore dei trasporti attraverso l’adozione di veicoli elet-
trici (EV). Negli ultimi anni, i significativi progressi nelle tecnologie delle batterie hanno
contribuito a una notevole crescita del mercato. Tuttavia, l’autonomia limitata dei veicoli
elettrici continua a rappresentare un ostcolo alla diffusione su larga scala. Per affrontare
questa problematica, la prima parte di questa tesi è dedicata allo sviluppo di un simula-
tore di guida per veicoli elettrici. Il simulatore integra componenti hardware e software
per riprodurre in modo realistico il comportamento di un veicolo elettrico in un con-
testo di guida reale. I risultati ottenuti indicano che il simulatore è in grado di replicare
le dinamiche di guida con un’incertezza accettabile. Nella seconda parte della tesi, il
simulatore viene impiegato per analizzare lo stile di guida. È stato condotto uno stu-
dio che ha coinvolto dodici partecipanti, equamente divisi per genere, in tre scenari di
guida che includono percorsi urbani e autostradali, con e senza traffico. La logica fuzzy
è stata utilizzata per valutare gli stili di guida, producendo un indice di comportamento
alla guida (Driving Behaviour Index o DBI) per identificare intuitivamente l’aggressività.
Ogni partecipante ha ripetuto i test durante tre fasce orarie - mattina, pomeriggio e sera
- al fine di valutare le variazioni del comportamento di guida nel corso della giornata.
L’analisi dei dati, condotta tramite Matlab, ha evidenziato una correlazione tra lo stile
di guida e il consumo di energia. Inoltre, i risultati hanno mostrato un aumento dell’indice
di comportamento di guida con il progredire della giornata.Growing concerns about CO2 emissions and global warming are driving the electrifica-
tion of the transportation sector through the adoption of electric vehicles (EVs). In
recent years, significant advancements in batteries technologies have contributed to no-
table market growth. Nevertheless, the limited driving range of EVs continues to pose a
challenge to broader adoption. To address this issue, the first part of this thesis focuses
on the development of a driving simulator for electric vehicles. The simulator integrates
both hardware and software components to realistically replicate the behaviour of an EV
within a real-world driving environment. Results indicate that the simulator effectively
reproduces driving dynamics with an acceptable degree of uncertainty. In the second
part of the thesis, the simulator is employed to analyse driving behaviour. A study was
conducted involving twelve participants, evenly divided by gender, across three driving
scenarios that included urban and highway routes, both with and without traffic. Fuzzy
Logic was used to assess driving styles, outputting a Driving Behaviour index (DBI) to
intuitively identify the aggressiveness. Each participant repeated the tests during three
different times of day — morning, afternoon, and evening — to investigate variations in
driving behaviour over the course of the day. Data analysis, performed using Matlab,
revealed a correlation between driving behaviour and energy consumption. Additionally,
the results showed an increase in the driving behaviour index as the day progressed
Positivity-preserving numerical schemes for a two cell populations model
No full textLAUREA MAGISTRALENegli ultimi anni, la modellazione matematica applicata all'oncologia sta acquisendo un'importanza sempre maggiore. In particolare, hanno iniziato a trovare applicazione i gemelli digitali, che integrano modelli matematici e computazionali per fare previsioni, combinando una componente data-driven e una meccanicistica. Quest'ultima consiste in sistemi di equazioni differenziali ordinarie ed equazioni alle derivate parziali.
In questo contesto, il contributo di questa tesi è la progettazione di schemi numerici efficienti per simulare un modello di progresso tumorale: il modello a due popolazioni cellulari. Presentiamo un nuovo metodo che preserva la positività della soluzione, chiamato metodo di trasformazione e adattiamo un metodo implementato in precedenza, il metodo di Newton-Krylov proiettato, combinato con una direzione di gradiente proiettata, al nostro caso. Entrambi gli approcci affrontano il problema delle oscillazioni che sorgono quando si utilizza il metodo degli elementi finiti su sistemi non lineari e lo risolvono.
Applichiamo il metodo di trasformazione a una versione unidimensionale già esistente del modello a due popolazioni. Testando il modello con diversi valori dei coefficienti, siamo in grado di catturare comportamenti particolari, già osservati in precedenza utilizzando uno schema a volumi finiti.
Mostriamo come, tramite il metodo di Newton-Krylov proiettato, combinato con una direzione di gradiente proiettata, emerga la ben nota instabilità in presenza di specifiche perturbazioni iniziali.In recent years, mathematical modelling applied to the oncology field has gained significant importance. In particular, the use of digital twins has emerged. They integrate mathematical and computational models to predict outcomes. They combine data-driven and knowledge-driven components. The latter consists of systems of ordinary differential equations and partial differential equations.
In this context, the contribution of this thesis is designing efficient numerical schemes to simulate a tumor progression model: the two cell populations model.
We present a new structure-preserving, accurate, and efficient method, called the transform method, and we adapt an already existing method, the projected Newton-Krylov method, mixed with projected gradient direction, to our case. Both methods address the issue of oscillations that arise when using the finite element method on nonlinear systems and overcome it. We apply the transform method to an already existing one dimensional two cell populations model. By testing the model with different coefficient values, we are able to capture characteristic patterns, which have been previously observed using a finite volume scheme.
We then consider the two-dimensional two cell populations model and show, using a projected Newton-Krylov method combined with a projected gradient direction, the well-known emergence of fingering when the initial condition includes a perturbation with specific parameters
Morphological analysis and pretreatment strategies to control aluminium dendrite growth in AlCl3-EMImCl electrolyte
No full textLAUREA MAGISTRALELe batterie agli ioni di alluminio (AIB) rappresentano una promettente alternativa alle batterie agli ioni di litio, grazie all'abbondanza e all'elevata capacità teorica dell’alluminio. Tuttavia, la loro effettiva applicabilità è fortemente ostacolata dalla crescita incontrollata di dendriti di alluminio sull'anodo durante i cicli di deposizione/stripping in elettroliti a base di liquidi ionici come AlCl3-EMImCl. Nonostante ci si aspetti una deposizione priva di dendriti in determinate condizioni, la loro formazione è stata osservata, causando instabilità interfacciali e un progressivo decadimento delle prestazioni. Questa tesi analizza il liquido ionico Lewis acido AlCl3-EMImCl, un elettrolita comunemente utilizzato per la deposizione dell’alluminio. Tale elettrolita contiene ioni elettrochimicamente attivi Al2Cl7− e presenta proprietà vantaggiose, sebbene sia altamente corrosivo. Tramite tecniche come la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a dispersione di energia (EDS), è stata studiata la morfologia della superficie di alluminio, dell’alluminio depositato e dei dendriti formatisi. Per mitigare la formazione di dendriti, sono state esplorate strategie di pretrattamento dell’anodo. L’obiettivo è ingegnerizzare l’interfaccia anodo-elettrolita per promuovere una deposizione uniforme dell’alluminio e sopprimere la crescita dendritica indesiderata. Questo lavoro mette in evidenza la presenza e la morfologia dei dendriti di alluminio nell’elettrolita AlCl3-EMImCl, sottolineando l’importanza cruciale della modifica superficiale dell’anodo nelle batterie a bottone, un passaggio fondamentale per migliorare la stabilità ciclica, l’efficienza e la sicurezza, requisiti essenziali per l’applicazione pratica delle batterie agli ioni di alluminio.Aluminium-ion batteries (AIBs) are a promising alternative to lithium-ion batteries due to the abundance and high theoretical capacity of aluminium. However, their practical viability is significantly challenged by the growth of aluminium dendrites on the anode during plating/stripping cycles in ionic liquid electrolytes like AlCl3-EMImCl. Despite expectations of dendrite-free deposition under certain conditions, dendrites have been observed, leading to interfacial instability and performance decay. This thesis investigates the Lewis acidic AlCl3-EMImCl ionic liquid, a common electrolyte for Al deposition. This electrolyte contains electrochemically active Al2Cl7− ions and exhibits advantageous properties, though it is also highly corrosive. Utilizing techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and Energy Dispersive spectroscopy (EDS), the morphology of the aluminium surface, deposited aluminium, and dendrites is analysed. To mitigate dendrite formation, anode pretreatment strategies are explored. The aim is to engineer the anode-electrolyte interface to promote uniform aluminium deposition and suppress detrimental dendritic growth. This work highlights the presence and morphology of aluminium dendrites in AlCl3-EMImCl electrolyte and demonstrates the critical importance of anode surface modification in coin cell batteries, a crucial step toward enhancing the cycling stability, efficiency, and safety necessary for the practical application of Al-ion batteries
Analysis of the SPERT-III E benchmark and validation of the multi-physics simulation code ANTARES
Full text linkLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi di Laurea Magistrale ha preso la forma di uno stage di 6 mesi presso l'ASNR,
l'organismo francese di riferimento per la sicurezza nucleare e la radioprotezione. L'ASNR sta
attualmente sviluppando un strumento di calcolo nucleare multi-fisico moderno, ANTARES, il cui
scopo è quello di simulare meglio le configurazioni di incidente di nocciolo di reattori PWR, con
calcoli accoppiati di neutronica e termoidraulica; e di fornire all'ASNR un nuovo e adeguato
strumento di calcolo per gli studi di sicurezza.
In questo contesto, lo stage è avvenuto all'inizio del processo di validazione sperimentale
di ANTARES. In questa fase, il codice viene testato e i suoi risultati vengono confrontati con quelli
sperimentali. Il programma sperimentale americano SPERT III è stato utilizzato come riferimento
sperimentale in questa prospettiva. L'obiettivo dello stage è stato quello di implementare un paio
di test-case di SPERT III in ANTARES, al fine di ottenere alcuni primi elementi di confronto con
l'esperienza, e di comprendere le difficoltà da superare nel processo di implementazione.
Quattro casi-test SPERT III di transitorio di espulsione di asta di controllo, selezionati per
la loro rappresentatività, sono stati implementati in ANTARES, ed è stato effettuato un processo
di prova ed errore di regolazione dei parametri e di impostazione generale all'interno del codice.
Di conseguenza, per ogni caso di prova, il picco di potenza simulato è stato confrontato con
quello sperimentale, ottenendo prestazioni abbastanza soddisfacenti. Inoltre, è stata eseguita
un'analisi di sensibilità, per comprendere meglio l'influenza di alcune condizioni e parametri
iniziali sui risultati ottenuti con ANTARES.
Come studio preliminare di validazione sperimentale per ANTARES, lo stage ha fornito
alcuni elementi. Nel prosieguo della validazione sperimentale di ANTARES, dopo la fine dello
stage, i risultati già ottenuti potranno essere affinati verificando a fondo la messa a punto dei
parametri del codice, e dovranno essere implementati altri casi-test per ottenere maggiori
elementi di confronto con l'esperienza.This Master’s thesis took the form of a 6-month internship at ASNR, the French referent
organism for nuclear safety and radiation protection. ASNR is currently developing a modern
multi-physics nuclear calculation tool, ANTARES, which purpose is to better simulate incident
core configurations of PWR reactors, with coupled neutronics and thermo-hydraulics
computations ; and to give ASNR new and proper calculation tool for safety studies.
In this context, the internship happened at the beginning of the experimental validation
process of ANTARES. In this phase, the code is tested and its results are compared to
experimental ones. The SPERT III American experimental program was used as an experimental
reference in this perspective. The goal of the internship was to implement a couple SPERT III test
cases into ANTARES, in order to get some first elements of comparison with the experience, and
to understand the difficulties to overcome in the process of the implementation.
Four SPERT III rod ejection transient test-cases, selected for their representativity, were
successfully implemented into ANTARES, and a trial and error process of parameter tuning and
general setting inside the code was carried out. As a result, for each test-case, the simulated
power peak was compared to the experimental one, giving rather satisfactory performance.
Complementarily, a sensitivity analysis was performed, to better understand the influence of
certain initial conditions and parameters on the results obtained with ANTARES.
As a preliminary experimental validation study for ANTARES, the internship gave some
elements. In continuation of the experimental validation of ANTARES, after the end of the
internship, the results already obtained may be refined by deeply checking the tuning of the code
parameters, and more test-cases should be implemented to obtain more elements of
comparison with the experience
Does ESG hold during storms? Evidence from bond spreads and returns in 2020-2024 Turmoil
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi analizza come i rating ESG (Environmental, Social, Governance) degli emittenti si correlino con la performance delle obbligazioni corporate nel mercato europeo durante il periodo particolarmente turbolento compreso tra il 2020 e il 2024, con il 2019 come anno di riferimento. Il suo obiettivo principale è determinare se punteggi ESG complessivi più elevati (e ciascuno dei tre pilastri E, S e G) corrispondano a spread più bassi e/o a rendimenti più alti.
A tal fine sono stati costruiti due portafogli obbligazionari ribilanciati annualmente: uno Investment Grade, che replica il Bloomberg Euro Aggregate Corporate Total Return Index, e uno High Yield, che replica il Bloomberg Pan-European High Yield Total Return Index. Le analisi sono condotte separatamente per ciascun portafoglio.
Dal punto di vista metodologico, lo studio conduce innanzitutto confronti descrittivi all’interno di ciascun segmento tra obbligazioni high‐ESG e low‐ESG (e i relativi pilastri), divise in base alla mediana. Successivamente applica regressioni pooled OLS con il punteggio ESG per intero (e i relativi pilastri), controllando per duration, rating creditizio, dimensione dell’emissione, dimensione dell’azienda, interest coverage ratio, volatilità, dummies callable/green ed effetti temporali.
Effettuiamo inoltre test di robustezza e forniamo ulteriori analisi per colmare altre lacune nella letteratura, indagando la rilevanza dei settori e la liquidità delle obbligazioni.
I risultati mostrano che, in media, punteggi ESG aggregati più elevati, e in particolare rating Ambientali e di Governance più forti, sono associati a spread leggermente più alti nel segmento High Yield, mentre l’impatto nel segmento Investment Grade risulta statisticamente debole. La relazione con i rendimenti, invece, è debole in entrambi i segmenti.This thesis investigates how issuers’ ESG (Environmental, Social, Governance) ratings correlate with corporate bond performance in the European market during the particularly turbulent period that goes from 2020 to 2024, with 2019 as a reference year. Its primary objective is to determine whether higher overall ESG scores (and each individual E, S, and G pillar) correspond to lower spreads and/or higher returns.
Two annually rebalanced bond portfolios are thus constructed: an Investment Grade one, following the Bloomberg Euro Aggregate Corporate Total Return Index, and a High Yield one, following Bloomberg Pan-European High Yield Total Return Index. The analyses are conducted separately for each portfolio.
Methodologically, the study first conducts descriptive comparisons within each segment between high‐ESG and low‐ESG bonds (and its pillars), divided based on the median. It then employs pooled OLS regressions with the full ESG score (and its pillars) as the dependent variable, controlling for duration, credit rating, issue size, firm size, interest coverage ratio, volatility, callable/green dummies, and year effects.
We also perform robustness tests and we provide further analyses to fill other literature gaps, investigating sectors relevance and bond liquidity.
Results show that, on average, higher aggregate ESG scores, and particularly stronger Environmental and Governance ratings, are associated with slightly higher spreads in the High Yield segment, while the impact in the Investment Grade segment is statistically weak. The relationship with returns is instead weak in both segments
Implementation and validation of a Mach-Zehnder-based photonic core for matrix-vector multiplication
No full textLAUREA MAGISTRALEStiamo attualmente vivendo una rivoluzione nel campo della tecnologia dell'informazione. La crescita esponenziale di applicazioni come Unità di elaborazione grafica (GPU), machine learning e Internet-of-Things (IoT) sta spingendo le prestazioni dell'attuale stato dell'arte delle tecnologie verso il loro limite intrinseco. In effetti, molte di queste piattaforme si basano su sistemi elettronici digitali, i quali si sono rapidamente evoluti negli ultimi decenni, ma stanno ora raggiungendo i loro limiti in termini di velocità di calcolo e dissipazione di potenza. Poiché il bisogno di un'elettronica più veloce e meno affamata di energia impone i principali obiettivi per nuovi sviluppi nel campo, delle alternative all'approccio digitale devono essere ricercate in modo da superare gli attuali limiti delle tecnologie a disposizione.
I circuiti elettronici si basano sulla carica e scarica di linee di trasmissione elettriche, provocando un consumo di potenza proporzionale alla massima frequenza di commutazione e una latenza totale che aumenta col numero di stadi richiesti. Affidandosi esclusivamente all'elettronica per la trasmissione ed elaborazione di dati, il prezzo complessivo da pagare diventa inconveniente, soprattutto a flussi dati molto elevati. Una strada meno affamata di potenza è da seguire.
Il campo della fotonica appare d'aiuto a questo proposito. Effettivamente, esso offre il vantaggio di evitare commutazioni elettroniche lavorando direttamente con la luce, che non dissipa energia al propagarsi. Inoltre, questo approccio apre la possibilità di trasmissione a banda molto larga, poiché le informazioni viaggiano alla velocità della luce. Queste proprietà giustificano la co-integrazione di strutture fotoniche e processori elettronici così da raggiungere migliori prestazioni e consentire calcolo nel dominio ottico.
Il calcolatore ottico è una soluzione promettente per l'elaborazione di dati ad alta velocità e operazioni matematiche, in particolare la moltiplicazione vettore-matrice. Infatti, l'informazione proveniente dai dati può essere mappata nell'ampiezza e fase dei campi ottici, che costituiscono i vettori, mentre le architetture fotoniche svolgono operazioni lineari con la luce; pertanto, la moltiplicazione vettore-matrice avviene con la propagazione della luce nella struttura fotonica. Le piattaforme fotoniche, però, sono molto sensibili a tolleranze di processo che affliggono il reale comportamento dei dispositivi, e anche a cambiamenti termici ed ambientali, responsabili di allontanamenti dai punti operativi. Ecco che un metodo di controllo elettronico è necessario per monitorare lo stato del processore fotonico e agire ad anello chiuso così da compensare queste non idealità.
In questa tesi, un processore fotonico basato su interferometri Mach-Zehnder è stato sviluppato e validato. Esso è stato usato per eseguire moltiplicazioni vettore-matrice nel dominio ottico con elevatissima precisione e stabilità in una struttura 2x2, e risultati preliminari sono stati estratti da un'architettura 3x3 più complessa. L'operazione del processore è resa possibile da una strategia di controllo realizzata da un sistema elettronico, che si occupa di interagire con le strutture fotoniche e realizza l'algoritmo di controllo.We are currently living a revolution in the field of information technology. The exponential growth of applications such as Graphic Processing Units (GPU), machine learning and Internet-of-Things (IoT) is pushing the performance of the current state-of-the-art technologies towards their intrinsic limit. Indeed, most of these platforms are based on digital electronic systems, which have been rapidly evolving in the past decades but are now reaching their limit in terms of bandwidth and power dissipation. As the need for faster and less energy-consuming electronics sets the main goals for new developments in the field, some alternatives to the digital approach must be sought in order to overcome the current limitations of the available technologies.
Electronic circuits rely on the charge and discharge of electrical transmission lines, producing a power consumption proportional to the maximum switching frequency and a total latency that scales with the number of required stages. By relying on electronics alone for transmission and elaboration of data, the overall price to pay becomes inconvenient, especially at high data rates. A less power-hungry path should be followed.
The field of photonics comes in handy for this purpose. Indeed, it offers the advantage of avoiding electronic switching by working directly with light, which does not dissipate energy while propagating. Moreover, this approach opens the possibility of transmission at very large bandwidth, as the information can travel at light speed. These properties justify the co-integration of photonic structures and electronic processors in order to reach better performance and enable computing in the optical domain.
Optical computing is a promising solution for high-speed data processing and mathematical operation, in particular Matrix-Vector multiplication. Indeed, the information of the data can be encoded in the amplitude and phase of optical beams, which act as vectors, and photonic architectures perform linear operations with light, meaning that the Matrix-Vector multiplication happens as light travels inside the structure. However, photonic platforms are highly sensible to fabrication mismatches, which affect the real behavior of the devices, and thermal and environmental changes, which cause drifts in the devices working point. Hence, an electronic control layer is needed to monitor the state of the photonic processor and act in closed-loop to compensate for these non-idealities.
In this thesis, a Mach-Zehnder Interferometer-based photonic core has been developed and validated. It has been used to perform Matrix-Vector Multiplication in the optical domain with record-high precision and stability in a 2x2 structure, and preliminary results have been extracted from a more complex 3x3 architecture. The operation of the photonic core is possible thanks to a control strategy implemented with a custom electronic system, which interfaces the photonic structures and implements the control algorithm
Enhancing BIM model quality for a sustainable information modeling workflow : the structural system case
No full textLAUREA MAGISTRALEL'integrazione della Valutazione del Ciclo di Vita (LCA) nei flussi di lavoro del Building Information Modeling (BIM) sta assumendo un ruolo sempre più centrale nella promozione della sostenibilità nel settore delle costruzioni. Tuttavia, l'applicazione pratica presenta ancora difficoltà, soprattutto a causa di scambi di dati incompleti o incoerenti nei formati Industry Foundation Classes (IFC), in particolare nel dominio strutturale. Sebbene componenti strutturali come acciaio e calcestruzzo rappresentino una quota significativa del carbonio incorporato, sono spesso trascurati negli studi sull'integrazione BIM–LCA.
Questa tesi esplora l’uso dello standard Information Delivery Specification (IDS) per migliorare la qualità e la coerenza dei dati IFC nei modelli strutturali destinati all’analisi LCA. È stato modellato un edificio in acciaio con Tekla Structures ed esportato in formato IFC. In base ai requisiti informativi di One Click LCA, è stato definito uno schema IDS con particolare attenzione a parametri chiave come i materiali, i volumi e le classificazioni. Il modello è stato validato utilizzando usBIM.IDS e successivamente corretto in modo iterativo per garantire la conformità alle specifiche.
Il flusso di lavoro proposto mostra come IDS possa supportare l’identificazione preventiva di dati mancanti o non conformi prima dell’importazione dei modelli IFC nei software LCA. Sebbene lo studio si basi su un singolo caso, i risultati offrono spunti utili per strategie di validazione orientate al miglioramento della qualità dei dati e dell’interoperabilità. L’obiettivo non è il calcolo diretto degli impatti ambientali, ma piuttosto l’abilitazione di uno scambio dati strutturato e verificabile, a supporto di valutazioni più affidabili.
Questo lavoro contribuisce alla comprensione dell’uso degli standard openBIM, con particolare attenzione alla gestione della qualità delle informazioni nei modelli strutturali, nelle fasi iniziali del progetto.The integration of Life Cycle Assessment (LCA) into Building Information Modeling (BIM) workflows is increasingly important in promoting sustainability in construction. However, effective implementation remains challenging due to incomplete or inconsistent data exchange, particularly when using Industry Foundation Classes (IFC) in the structural domain. Although structural components such as steel and concrete contribute significantly to embodied carbon, they are often overlooked in BIM–LCA integration studies.
This thesis investigates the use of the Information Delivery Specification (IDS) to improve the quality and consistency of IFC data for structural models intended for LCA. A steel structure was modeled in Tekla Structures and exported as an IFC file. An IDS schema was created based on the information requirements of One Click LCA, focusing on critical parameters such as material definitions, volumes, and classification. The model was validated using usBIM.IDS, and corrected iteratively to match the defined specifications.
The proposed workflow demonstrates how IDS can help identify missing or misaligned data before IFC models are imported into LCA tools. Although the research is based on a single case study, the findings offer practical insights into model validation strategies that support better data quality and interoperability. The focus is not on environmental impact calculations themselves, but rather on enabling structured, verifiable data exchange that makes such assessments more reliable.
This study contributes to the broader understanding of openBIM standards, especially in the context of information quality management for structural models used in early design-phase sustainability considerations
Methods for road vehicles ride comfort optimization
No full textDOTTORATOLa tesi si concentra sui metodi di ottimizzazione per migliorare il comfort di marcia nei veicoli stradali, con particolare attenzione all’efficienza computazionale nell'ottimizzazione delle sospensioni, al bilanciamento tra risparmio energetico e comfort longitudinale nelle strategie di eco-driving e alla valutazione del comfort di marcia mediante simulatori di guida. Il comfort di marcia ha un impatto significativo sull’esperienza, sulla sicurezza e sulla salute degli occupanti. Con l’aumento dell’uso di modelli ad alta fedeltà che richiedono risorse computazionali elevate, sono essenziali algoritmi di ottimizzazione efficienti per ottenere un comfort ottimale riducendo il costo computazionale. Inoltre, la guida autonoma (AD) e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) hanno modificato i requisiti di comfort, poiché il ruolo del conducente si sposta da controllore del veicolo a supervisore, o persino a passeggero completamente libero. I simulatori di guida stanno inoltre diventando strumenti fondamentali per testare e ottimizzare il comfort di marcia, consentendo agli ingegneri di affinare i progetti senza la necessità di prototipi fisici, riducendo i costi e migliorando le prestazioni.
Dal punto di vista dell’efficienza computazionale, viene proposto un framework di ottimizzazione basato su un surrogato multi-fedeltà, che combina la regressione a kernel estesa (EKR) con il metodo del vincolo normale approssimato (ANC), per l'ottimizzazione delle sospensioni. Il framework proposto è confrontato con algoritmi noti. Un modello analitico lineare di un quarto di veicolo e un modello multibody non lineare sono scelti rispettivamente come modelli a bassa e alta fedeltà. L’efficienza del framework è valutata rispetto a noti algoritmi di ottimizzazione e applicata a diversi tipi di veicoli. I risultati mostrano che, nell’ottimizzazione delle sospensioni, il metodo proposto richiede in media un minor numero di simulazioni ad alta fedeltà per ottenere un singolo punto di Pareto rispetto ad altri algoritmi, dimostrando un forte potenziale nell’affrontare efficacemente ed efficientemente problemi di ottimizzazione delle sospensioni.
Per studiare una strategia di eco-driving basata sulla tecnica "pulse and glide" (PnG), è stata effettuata un'ottimizzazione a singolo obiettivo considerando il vincolo sul jerk longitudinale per bilanciare il consumo energetico e il comfort longitudinale in un veicolo elettrico a batteria (BEV). È stato impiegato un metodo di ottimizzazione in due fasi per ottenere la soluzione ottimale. Nella prima fase, è stata generata e addestrata una rete neurale (NN) per ottenere una soluzione approssimata utilizzando un algoritmo genetico (GA). Nella seconda fase, l'ottimizzazione è stata eseguita sul modello fisico, utilizzando la soluzione ottimale della prima fase come punto di partenza. I risultati mostrano che la strategia PnG ottimale consente un risparmio energetico fino al 5% rispetto alla strategia a velocità costante (CS) senza considerare il comfort. Se il comfort viene considerato, il risparmio si riduce a circa l'1%. Inoltre, è stato condotto un esperimento soggettivo presso il DriSMi del Politecnico di Milano per valutare la correlazione tra i risultati numerici dell’ottimizzazione e la percezione soggettiva del comfort da parte degli occupanti, dimostrando che il simulatore di guida è uno strumento promettente per una valutazione rapida e affidabile del comfort longitudinale. Per confermare il ruolo del simulatore nella valutazione delle soglie di comfort, è stato condotto un esperimento completo utilizzando il metodo up-down per identificare le soglie di jerk, che si sono rivelate coerenti con quelle ottenute dai test su veicoli reali. Infine, un’ottimizzazione multi-obiettivo della strategia PnG ha fornito un insieme di soluzioni Pareto ottimali che bilanciano l’efficienza energetica e il comfort, con punti vicini alla soglia di fastidio soggettivo verificati tramite test in simulatore, confermando ulteriormente tali soglie.
Per ridurre le risposte trasversali all’ingresso e garantire che le direzioni di ingresso e uscita siano allineate per essere efficacemente trasmesse alla posizione target in un simulatore a spettro completo per la valutazione del comfort e del NVH, viene presentato un approccio di ottimizzazione completo per i supporti del sedile. Un modello dinamico multibody flessibile è stato inizialmente creato e validato tramite un esperimento modale. Per migliorare l’efficienza dell’ottimizzazione, è stato impiegato un modello surrogato basato sulla metodologia delle superfici di risposta (RSM), sostituendo il modello fisico nel processo di ottimizzazione. Per risolvere il problema di ottimizzazione multi-obiettivo, è stato utilizzato il metodo della somma pesata. Il design ottimale raggiunge una riduzione massima del 57,7% del crosstalk. Infine, considerando la significativa differenza nella rigidità ottimale tra i supporti anteriori e posteriori, la disposizione dei supporti del sedile è stata modificata, aggiungendo due supporti extra nella parte posteriore e distribuendo uniformemente la rigidità ottimale. La nuova configurazione si è rivelata efficace nella riduzione del crosstalk delle vibrazioni.The thesis focuses on optimization methods for enhancing ride comfort in road vehicles, with a focus on improving computational efficiency in suspension optimization, balancing energy savings with longitudinal comfort in eco-driving strategies, and evaluating ride comfort by using driving simulators. Ride comfort significantly impacts occupant experience, safety, and health. With the increased use of high-fidelity models that require substantial computational resources, efficient optimization algorithms are essential to achieve optimal ride comfort while minimizing computational demands. Furthermore, automated driving (AD) and advanced driver assistance systems (ADAS) have changed comfort requirements as the driver’s role shifts from vehicle controller to supervisor, or even a fully liberated passenger. Additionally, driving simulators have increasingly become essential for testing and optimizing ride comfort, allowing engineers to refine designs without physical prototypes, reducing costs and enhancing performance.
From the perspective of improving computational efficiency, a multi-fidelity surrogate-based optimization framework, which combines extended kernel regression (EKR) and approximate normal constraint (ANC) method, is proposed for a suspension optimization problem. The proposed framework is compared with well-known algorithms. A linear quarter car analytical model and a nonlinear multibody model are selected as the low-fidelity and high-fidelity models, respectively. The efficiency of the proposed optimization framework is evaluated against well-known optimization algorithms and applied across various vehicle types. Results indicate that, when used for suspension optimization, the proposed method requires less high-fidelity simulations on average to obtain a single Pareto point than other algorithms, demonstrating strong potential for effectively and efficiently addressing suspension optimization problems.
To investigate an eco-driving cruise strategy, so-called pulse and glide (PnG), a single objective optimization considering the ride comfort constraint on longitudinal jerk was performed to balance energy consumption and longitudinal comfort in a battery electric vehicle (BEV). A two-step optimization method was employed to obtain the optimal solution. In the first stage, a neural network (NN) is generated and trained to get an approximated optimal solution by using a genetic algorithm (GA), and in the second stage, the optimization is performed on the physical model and the optimal solution of the first stage is used as a starting point. The result shows that the optimal PnG strategy can save up to 5\% of energy compared with the constant speed (CS) strategy without the constraint of ride comfort. If comfort is considered, a reduction of about 1\% can be found. Furthermore, a subjective experiment for subjective-objective correlation is conducted by using a dynamic driving simulator at DriSMi of Politecnico di Milano. The result shows that the numerical result of the optimization has been correlated to the occupants' subjective comfort perception, demonstrating the driving simulator is a promising tool for a fast and reliable subjective evaluation of longitudinal ride comfort. To confirm the simulator’s role in evaluating comfort thresholds, a comprehensive experiment using the up-down method identified jerk thresholds, aligning well with thresholds obtained from real cars. Finally, a multi-objective optimization of the PnG strategy provided a Pareto optimal set balancing energy efficiency and comfort, with points near the subjective annoyance threshold verified through simulator testing, further confirming these thresholds.
With the aim of reducing cross-directional responses to the input and ensuring that input and output directions align to be effectively transmitted to the target location in a full-spectrum simulator for ride comfort and NVH evaluation, a comprehensive optimization approach of seat bushings is presented. A flexible multibody dynamic model is first created and validated through a modal experiment. To enhance optimization efficiency, a surrogate model based on the response surface methodology (RSM) is employed, replacing the physical model during the optimization process. To solve the multi-objective optimization problem, the weighted sum method is utilized. The optimal design achieves a maximum of 57.7\% improvement in terms of crosstalk reduction. Finally, considering the significant difference in optimal stiffness between the front and rear bushings, the layout of the seat bushings has been modified, adding two extra bushings in the rear and evenly distributing the optimal stiffness. The modified layout is still effective in reducing vibration crosstalk.DIPARTIMENTO DI MECCANICASustainable Mobility36CHELI, FEDERICOBERNASCONI, ANDRE