Facoltà di Ingegneria 1

Tesi di LaureaMonitoraggio del comfort vibrazionale secondo la ISO 2631:

progetto e realizzazione di un dispositivo low cost con impostazione e validazione di un modello predittivo in

funzione delle caratteristiche antropometriche dell'uomo

Candidato: Guido Carbini

Relatore: Prof. Ettore Pennestrì

Correlatori: Ing. Daniele Carnevale Ing. Lorenzo Mariti

Facoltà di Ingegneria Meccanica

Facoltà di Ingegneria 2

ObiettiviCreare una strumentazione e una metodica per

la misurazione delle vibrazioni come previsto dalla ISO 2631 Identificare un modello matematico di impronta black-box, che descriva la risposta di un passeggero in un veicolo soggetto a vibrazioni in funzione delle caratteristiche antropometriche della persona

Creare un database di funzioni di trasferimento STH attraverso il quale parametrizzare i coefficienti della stessa in base ai fattori antropometrici significativi per la risposta alle vibrazioni del corpo umanoCorrelare i coefficienti della STH con i parametri meccanici

Facoltà di Ingegneria 3

IntroduzioneWhole Boby

Vibration

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

ISO 2631

Modello

Natura delle vibrazioniAmbiente

Caratteristiche antropomentriche{Frequenze pericolose per la salute: da 0,5 a 5 HzLa ISO 2631 fornisce un metodo generale per la misurazione degli effetti di vibrazioni comprese tra 1 e 80 Hz sul corpo umano

Come affrontare il problema

Metodo analitico (diretto)

Metodo statistico - sperimentale (indiretto) Apparent Mass (AM)

Driving-Point Mechanical impedence (DPM)

Seat-To-Head transmissibility (STH)

{

Accelerazione

Le vibrazioni trasmesse al corpo intero possono provocare sensazioni di disagio o malessere, influenzare le capacità prestazionali umane o presentare un rischio per la salute e la sicurezza

Facoltà di Ingegneria 4

ISO 2631Definisce i metodi per quantificare le vibrazioni

trasmesse al corpo intero (WBV) in relazione a:

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

la salute umana e il benessere

la probabilità di percezione delle vibrazioni

l’incidenza del male dei trasporti

Fornisce precise indicazioni riguardo il posizionamento dei sensori

Fornisce le curve di ponderazione in frequenza delle accelerazioni in funzione della direzione della vibrazione

Facoltà di Ingegneria 5

ISO 2631Indice r.m.s.

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

La normativa definisce l'accelerazione quadratica media ponderata in frequenza, come indice della dose di vibrazione assorbite da un individuo in una singola direzione

Per contributi di vibrazioni in più direzioni si ricorre alla seguente formula

con{kz = 1kx = 1,4ky = 1,4

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Decreto Legislativo n.187Il decreto legislativo definisce dei limiti alla dose di WBV

assorbite da un individuo in un periodo di riferimento di 8 ore:

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

il valore limite di esposizione giornaliero è 1,15 m/s2 il valore d'azione giornaliero è 0,5 m/s2

Attraverso la seguente espressione è possibile proiettare l'esposizione alla WBV durante le 8 ore:

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Come affrontare il problemaCoefficiente di trasmissibilità STH:

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Modello di Wan e Schimmels

Modello sperimentale Approccio Black-Box

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Acquisizione dei DatiStrumenti

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

1. Antenna GPS: Garmin 18x USB

2. Accelerometro Triassiale Phidget 1059

3. PC portatile e programma in linguaggio C++

Facoltà di Ingegneria 9

Acquisizione dei DatiSetup Iniziale

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Facoltà di Ingegneria 10

Acquisizione dei DatiPostura del tester

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Tracciato per i test

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Acquisizione dei DatiRaccolta dati attraverso il software compilato in C++

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Parametri del tester: peso, altezza, sesso, età, corporatura; Numero di acquisizioni: 256, 512, 2048, 8192;

Controlli: corretto collegamento dei sensori,calcolo dell’inclinazione iniziale

dell’accelerometro; Acquisizioni delle accelerazioni lungo gli assi x, y e z.

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Facoltà di Ingegneria 13

Analisi dei DatiElaborazione dei dati:

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Filtraggio del segnale

Accelerazione alla Testa Non FiltrataAccelerazione alla Testa Filtrata

Accelerazioni nel dominio della frequenza

Accelerazione alla TestaAccelerazione al Sedile

Coefficiente di Trasmissibilità STH

Identificazione della fdt

dove:nb è il numero di poli al numeratore;

na è il numero di poli al denominatore;

nc è il numero di poli del polinomio di regressione del rumore;

nk è ritardo dei campioni.

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Analisi dei DatiModello Sperimentale

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Scelta dei parametri: Analisi dei Residui

Output: l’accelerazione alla testa solo tramite prove sperimentalisenza conoscere il sistema umano in termini di masse edelementi molla-smorzatore

Database dei coefficienti della funzione di trasferimento STH:Campagna sperimentale effettuata su 40 tester

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Correlazionetra le caratteristiche antropometriche degli

individui e i coefficienti della funzione di trasferimento STH determinati con la funzione ARMAX di MATLAB;

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

tra i coefficienti della funzione di trasferimento con la risposta di un sistema meccanico a 3 gradi di libertà per determinare i parametri meccanici massa (mi), molla (ki) e smorzatore (ci) del corpo umano.

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CorrelazioneDatabase dei valori dei coefficienti del numeratore bi e

del denominatore ai della funzione di trasferimento

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Facoltà di Ingegneria 17

CorrelazioneGrafici 3D per i parametri del database

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Facoltà di Ingegneria 18

CorrelazioneTabella riassuntiva dei coefficienti pij per i parametri ai e bi

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Facoltà di Ingegneria 19

Correlazione

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Parametro a2

Facoltà di Ingegneria 20

CorrelazioneSistema meccanico

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Facoltà di Ingegneria 21

Correlazione

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

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ConclusioniObiettivi raggiunti

Introduzione

Acquisizione dei dati

Analisi dei dati

Correlazione Conclusioni

Applicazioni

Approfondimenti

Creare una strumentazione low-cost Identificare un modello matematico

Parametrizzare i coefficienti della STH Correlare i coefficienti STH con i parametri meccanici

Calcolo dell'indice rms previsto dalla ISO 2631

Variare la frequenza di eccitazione del sistema auto-tester

Utilizzare come sorgente di vibrazioni una pedana vibrante

Facoltà di Ingegneria 23

Grazie per l’attenzione