Modelli dinamici per lo studio delle vibrazioni della colonna vertebrale

Pilot assisted oscillations (PAO) phenomena are a series of sustained or uncontrollable vehicle oscillations, charaterized by a mismatch between the pilot's mental model of the vehicle dynamics and the actual vehicle dynamics. In these kinds of phenomena the pilot plays an active role (when the frequecies are lower than 1 Hz) or a passive one (for the frequency bandwidth from 2 Hz up to 8 Hz), where the coupling involves structural dynamics frequencies and a pilot subjected to vibrations that are too high in frequency to be reacted adequately. The main modal frequencies of the torso seem to affect the pilot's dynamic in the frequency range from 2 Hz to 8 Hz. The present work aims at describing the implementation of a multibody model of the torso in order to analyse its influence in the passive dynamic of the pilot. After the model building-in, two kinds of analyses were performed: the first involved the coupling of the torso modal model with a detailed multibody model of the pilot's left arm, in order to observe the rotation of the collective control resulting from the oscillations of the seat at different frequencies, while the second coupled both the torso's and arm's model with an entire model of a SA 330 PUMA, in order to highlight the instability of the loop transfer function associated with the complete model.

Il lavoro di tesi proposto mira ad osservare il comportamento che il torso umano riveste all'interno di fenomeni di accoppiamento dinamico tra elicottero e pilota (Rotocraft Pilot Coupling-RPC). Questa interazione si manifesta con la nascita di vibrazioni autosostenute o incontrollate che derivano della riduzione del margine di fase, indotto dal ritardo nella risposta del pilota, sulla funzione di trasferimento del sistema retroazionato composto dal velivolo e dal pilota. Il loro effetto è noto fin dalla nascita dell'aviazione; l'aeromobile dei fratelli Wrigth mostrava fenomeni di accoppiamento dinamico tra la struttura e l'aviatore, mentre i primi filmati, che mostrano lo svolgersi del fenomeno (Aircraft Pilot Coupling-APC), risalgono alla fine della seconda guerra mondiale in cui si registrò l'APC sul bombardiere Douglas XB-19 durante la fase di atterraggio. Il ruolo che il pilota riveste all'interno dei fenomeni di RPC si differenzia in base alle frequenze che caratterizzano le oscillazioni generate: per frequenze inferiori ad 1 Hz il pilota agisce attivamente sui controlli apportando una serie di modifiche alla traiettoria del velivolo in base alla propria sensazione della dinamica dell'aeromobile, che però si discosta dalla condizione di volo reale. L'accoppiamento si ha con i modi propri della meccanica del volo caratterizzati da frequenze sufficientemente basse da poter interagire con la dinamica attiva del pilota (ad esempio il moto fugoide). Per frequenze invece comprese tra 2-8 Hz il pilota riveste un ruolo passivo all'interno del loop di controllo, in quanto non è in grado di controllare attivamente fenomeni che si svolgono a frequenze così elevate. In questo caso il pilota agisce da filtro trasformando le vibrazioni introdotte in cabina di pilotaggio in input indesiderati sui comandi. L'interazione con il velivolo si ha attraverso l'accoppiamento con i modi propri della struttura e delle pale. Sebbene la biomeccanica del braccio rivesta il ruolo principale nella nascita di tali oscillazioni, le frequenze che caratterizzano la risposta dinamica del torso ricadono nel secondo intervallo di RPC descritto. Partendo da tale considerazione si è sviluppato un modello multicorpo del torso umano utilizzabile in analisi di accoppiamento dinamico pilota-velivolo. Inizialmente (Cap. 1-2) si delinea brevemente l'anatomia della colonna vertebrale, si evidenziano le diverse tipologie di modelli numerici utilizzati per simularne il comportamento in campo ingegneristico e non e si descrivono le principali tecniche adottate per l'ottenimento dei dati necessari all'implementazione numerica. Successivamente (Cap. 3) si tratta l'implementazione vera e propria del modello numerico, infine (Cap. 4) si propongono i risultati ottenuti accoppiando il modello ridotto del torso umano ad uno multicorpo di braccio in diverse analisi evidenziandone le differenze.