A boundary-integral equation method for free surface viscous flows

Summary A boundary integral equation method is proposed for the solution of viscous recirculating flows with free surfaces. In particular the method is applied to thermocapillary convection and to drop formation, both in micro-gravity conditions, the latter to test its capability to handle real unsteady problems.The presence of non linear terms in Navier-Stokes equations leads to a volume integral, which has to be approximated by a linearization procedure.Several numerical results for thermocapillary flows, both with fixed and moving free surface, are discussed in comparison with previously obtained finite difference solutions. Some preliminary results, and in particular the time evolution of the free surface shape, are also presented for the drop formation problem. Only plane two dimensional fields are considered for both problems.

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Sommario Si propone un metodo basato sulla soluzione di equazioni integrali di contorno per flussi viscosi con superficie libera. Tale metodo è applicato allo studio della convezione termocapillare ed al processo di formazione di una goccia, entrambi in condizioni di microgravità. La presenza dei termini non lineari nell'equazione di Navier-Stokes comporta un integrale di volume che viene approssimato mediante un processo di linearizzazione.Risultati numerici per flussi termocapillari con superficie libera sia fissa che mobile sono confrontati con altri ottenuti in precedenza con un metodo alle differenze finite. Si presentano inoltre alcuni risultati preliminari sul problema della formazione della goccia ed in particolare l'evoluzione nel tempo della configurazione geometrica della superficie libera. Nei due casi si analizzano solo campi bidimensionali.

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Presented at the VII National Conference AIDAA, Naples, September 1983.

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In leave of absence from Tianjin University, China.     

Vector green's function method for unsteady Navier-Stokes equations

Summary The Green's function method is reformulated in general terms to treat vector unsteady and nonlinear equations. The particular expressions of the adjoint linear operator, the Green's formula and the integral representation of the solution are derived for unsteady Navier Stokes equations. The appropriate fundamental solutions for incompressible and for certain compressible flows have been obtained in closed form. Both the positive features and the possible limits of the method are briefly outlined.

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Sommario Si riformula in termini generali il metodo della funzione di Green per estenderlo al caso di equazioni vettoriali e non lineari. In particolare si ricavano le espressioni della formula di Green e della rappresentazione integrale della soluzione per le equazioni di Navier Stokes non stazionarie. Si ottengono le soluzioni fondamentali in forma chiusa sia per il caso di fluidi comprimibili che incomprimibili. Si discutono infine brevemente i lati positivi ed i possibili limiti della metodologia illustrata.

     

Generalized wavefront expansion properties and limitations

Summary The properties of an asymptotic method for the study of the propagation of weak shock waves in hyperbolic systems are examined in detail in the simple case of the single nonlinear wave equation in one space dimension. The general features of the method are briefly recalled and a comparison between the results obtained by this method and the exact solutions obtained by the shockfitting technique is made. Under appropriate regularity assumptions the method provides an approximation of the exact solution of the desired order for short times.

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Sommario Le proprietà di un metodo asintotico per lo studio della propagazione di onde d'urto deboli in sistemi iperbolici sono esaminate in dettaglio nel semplice caso della singola equazione d'onda non lineare in una dimensione spaziale. Sono richiamate brevemente le caratteristiche generali del metodo e viene fatto un confronto fra i risultati ottenuti con questo metodo e le soluzioni esatte ottenute con la tecnica dello shock-fitting, Sotto opportune ipotesi di regolarità il metodo fomisce una approssimazione della soluzione esatta, all'ordine desiderato per piccoli tempi.

     

A highly redundant coordinate formulation for constrained rigid bodies

The paper presents a formulation for the dynamic analysis of rigid multibodies. An introductory part carries out the kinematic analysis and the definition of the highly redundant differential framework along with the choice of unknowns and equations. From the differential formulation the variational principles, either in Lagrangian or Hamiltonian form, are developed. The Hamiltonian formulation is then used to develop the numerical approximation by applying the finite element method in time. The application of the method in its multifield form is discussed and a solution algorithm is proposed. Some examples are finally presented in order to verify the effectiveness of the formulation.

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Sommario Il lavoro presenta una formulazione per lo studio della dinamica dei sistemi multicorpo rigidi. Nella parte introduttiva viene svolta l'analisi cinematica e si definisce il quadro differenziale con la scelta delle incognite e delle equazioni. Dalla formulazione differenziale vengono poi sviluppati dei principi variazionali nella forma Lagrangiana ed Hamiltoniana. La formulazione Hamiltoniana é quindi utilizzata per sviluppare l'approssimazione numerica col metodo degli elementi finiti di tempo. Viene discussa l'applicazione del metodo nella forma multi-campo e viene proposto un algoritmo di soluzione. Da ultimo, vengono discussi alcuni esempi per verificare la correttezza della formulazione.

     

Creep and relaxation in thick-walled shrink-fitted cylinders

Summary We deal with the problem of time dependent stresses and, particularly, of the contact pressure in two thick-walled coaxial shrink-fitted cylinders, when neither of the two elements is rigid.We apply Rabotnov's phenomenological theory of creep in such a way that the integral equation, which gives the time dependent ratio between the contact pressure at a given moment and the starting pressure, is linear. We assume no volume deformation and a plane state of strain.We give the explicit solution in three examples both for an elastic inner cylinder and for a viscoelastic one, solving the integral equations of the problem both by quadratures and by the Laplace transformation inverting the transforms by a numerical method[21].

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Sommario Si affronta il problema della ricerca dell'andamento nel tempo delle tensioni e, in particolar modo, della pressione di contatto in un accoppiamento forzato tra due cilindri cavi coassiali nel caso che nessuno dei due elementi sia rigido.Si applica la teoria fenomenologica per lo scorrimento viscoso del Rabotnov in un modo tale per cui l'equazione integrale, che dà l'andamento nel tempo del rapporto tra la pressione di contatto in un dato istante e la pressione iniziale, è lineare. Si considera nulla la variazione di volume e piano lo stato di deformazione.Si dà la soluzione esplicita in tre esempi per cilindro interno sia elastico sia viscoelastico, risolvendo le equazioni integrali del problema sia per quadrature sia con l'uso della trasformata di Laplace trovando l'antitrasformata con un particolare metodo numerico di inversione[21].

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Transonic swirling flow in axisymmetric nozzles

Summary The transonic flow in axisymmetric choked nozzles is computed in the case of a radial distribution of tangential velocity. The flow configuration is obtained by means of a time-dependent technique. The swirling flow is achieved through a particular surface located at the inlet of the nozzle. The pressure distribution and the sonic line are presented for choked flows without or with swirling.

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Sommario Viene calcolato il flusso transonico in ugelli assialsimmetrici in condizione critica, nel caso di distribuzione radiale di velocità tangenziale.La soluzione è ottenuta numericamente tramite una tecnica instazionaria. Il flusso vorticoso viene creato attraverso una opportuna superficie all'ingresso dell'ugello. Vengono presentati i campi di pressione e la posizione della linea sonica per flussi critici, con e senza vortice.

     

Dynamic pressure and response factors for progressive gravity waves to third order approximation

Summary This paper proposes expressions of the dynamic pressure and of the transfer functions (response factors) between the dynamic pressure amplitude and the wave amplitude and between the dynamic pressure and the vertical displacement of the wave profile, for irrotational progressive gravity waves to third order approximation (non-linear theory).Some characteristic behaviours of the dynamic pressure and of the response factors are examined and compared with those of waves to first order approximation (linear theory).

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Sommario Si ricavano le espressioni della pressione dinamica per onde irrotazionali progressive di gravità al terzo ordine di approssimazione (modello non lineare).Si individuano le funzioni di trasferimento (fattori di risposta) sia tra l'ampiezza della pressione dinamica e l'ampiezza d'onda, sia tra la pressione dinamica e lo spostamento verticale della superficie di ondulazione.Si esaminano comportamenti caratteristici della pressione dinamica e dei fattori di risposta e si confrontano tali comportamenti con quelli relativi alle onde al primo ordine di approssimazione (modello lineare).

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A perturbation method in elastohydrodynamic lubrication of cylindrical surfaces

Summary The typical relations of elastohydrodynamics are linearized through geometrical considerations and a single integro-differential equation, where the pressure is the unknown quantity, is found. A perturbation method is used for the solution, and, in the assumption of an incompressible and isoviscous fluid, an explicit expression of the pressure gradient and, consequently, of the total load and the film thickness is obtained when displacements are not high.

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Sommario Le relazioni caratteristiche della elastoidrodinamica vengono linearizzate con considerazioni geometriche e si giunge cosi ad un 'unica equazione integro-differenziale ove l'incognita è la pressione; il metodo usato per la sua soluzione è perturbativo e si perviene, nell'ipotesi di fluido incompressibile ed isoviscoso, ad una espressione esplicita del gradiente della pressione e, conseguentemente, alla portanza totale ed alla altezza del meato, qualora le deformazioni siano sufficientemente piccole.

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Group analysis and similarity solutions of the compressible boundary layer equations

Summary In this paper the application of Lie's methods to the equations of the laminar boundary layer is discussed. The momentum and energy equations in Prandtl's form are considered for a steady, viscous, compressible laminar flow with non zero pressure gradient, variable viscosity and thermal conductivity. Group analysis yields similarity solutions for given pressure distributions and particular values of the invariance group parameters (group classification). Crocco's transformation is obtained for the infinite-dimensional group of the Lie's algebra admitted by the equations.

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Sommario In questa nota si applicano i metodi di Lie alle equazioni dello strato limite laminare nella forma di Prandtl per un fluido viscoso, compressibile, con gradiente di pressione non nullo e con viscosità e conducibilità termica variabili. L'analisi gruppale fornisce soluzioni di similarità per date distribuzioni di pressione e valori particolari dei parametri del gruppo di invarianza. La trasformazione di Crocco si ottiene in corrispondenza della parte infinito-dimensionale dell'algebra di Lie ammessa dalle equazioni.

     

MHD boundary layer equations for power-law fluids with variable electric conductivity

The boundary layer in a power-law fluid flowing in the presence of a transverse variable magnetic field is investigated. Assuming the electric conductivity of the fluid is dependent on its velocity, Meksyn's method is used to get an analytical solution for the velocity field and the coefficient of friction. The effect of the magnetic field is then discussed.

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Sommario Lo scopo di questo lavoro è di studiare lo strato limite laminare con relazione costitutiva a legge di potenza bidimensionale di un fluido non-newttoniano incompressibile elettroconduttore che scorre lungo una parete piana in presenza di un campo magnetico trasversale e di una pressione esterna. La conducibilità elettrica del fluido viene assunta come funzione della velocità nella forma =₀ u, dove ₀ è costante eu è la velocità del flusso parallela alla parete. L'equazione base è stata risolta applicando il metodo di Meksyn per ottenere una soluzione analitica per la velocità ed il coefficiente di attrito. Viene inoltre discusso l'effetto del campo magnetico e la variazione della conducibilità elettrica.

     

Application of the finite volume method in the simulation of saturated flows of binary Mixtures with particular emphasis on Non-Darcy motions through porous media

Non-Darcy flows in saturated porous media with significative boundary and inertia effects are modelled applying the Continuum Theory of Mixtures approach and simulated by discretization of the governing equations by the finite volume method.

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Sommario Flussi di tipo ‘Non-Darcy’ in mezzi porosi saturi, con significativi effetti di bordo ed inerziali, vengono modellati applicando l'approccio della Teoria delle Miscele per il Continuo e simulati mediante discretizzazione delle equazioni governanti con il metodo del volume finito.

     

Shock-fitting method for two-dimensional inviscid,steady supersonic flows in ducts

Summary A numerical technique to solve the Euler equations for two-dimensional, steady, inviscid, supersonic flows in ducts is presented. The technique is second-order accurate and is based on the-scheme plus shock-fitting method. Many cases have been tested. The method used and the results obtained demonstrate the versatility of the technique specially if confronted with analogous methods that use shock-capturing techniques.

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Sommario Viene presentato un metodo numerico per l'integrazione delle equazioni di Eulero per flussi supersonici, bidimensionali, stazionari, non-viscosi in condotti. La tecnica, che possiede una accuratezza del secondo ordine, è basata sui metodi del-scheme e dello shock-fitting. Molti sono stati i casi provati. Il metodo usato ed i risultati ottenuti dimostrano la versatilità della tecnica, specialmente se confrontata con metodi analoghi che fanno uso di tecniche shock-capturing.

     

On the turbulent couette flow of an incompressible fluid with temperature-dependent viscosity

Summary Starting from energy and Navier-Stokes equations with temperature-dependent viscosity, we have obtained the Reynolds equations for the mean values of velocity, temperature and pressure. We have then applied these equations to the Couette flow; on the well-known hypothesis of mixing-length and Prandtl turbulent number, the above mentioned relations have been written in a more amenable form.Some general considerations concerning the reciprocal dependence between temperature and velocity gradients at wall have been deduced.Finally some solutions numerically obtained for several values of Reynolds number are given and discussed in some detail to point out the influence of the temperature-dependent viscosity.

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Sommario Introducendo nelle equazioni dell'energia e di Navier-Stokes le parti medie e fluttuanti della velocità, temperatura, pressione e viscosità, vengono ricavate le cosiddette equazioni di Reynolds, ossia le equazioni che descrivono i campi di velocità e temperatura medi. Dal confronto di quest'ultime, in cui la viscosità è considerata dipendente dalla temperatura, con quelle originarie di Reynolds si deduce la forma che nel caso in esame assumono gli sforzi apparenti.Successivamente le equazioni ottenute vengono applicate al moto a Couette e discusse, dopo aver introdotto in esse le ipotesi della lunghezza di miscelamento e del numero di Prandtl turbolento; da questa analisi vengono tratte alcune conclusioni di carattere generale riguardanti i legami tra il campo dinamico e quello termico. Infine vengono date alcune soluzioni ottenute per via numerica, le quali illustrano l'influenza che sulle distribuzioni di temperatura e velocità viene esercitata dalla dipendenza della viscosità dalla temperatura.

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A thin airfoil spline panel method

Summary A fourth-order-accurate panel method based on spline interpolating polynomials for potential flow past a thin airfoil is presented. Numerical results are given for a symmetric airfoil at angle of attack, for which the fourth order accuracy of the method is clearly demonstrated.

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Sommario Si presenta un metodo dei pannelli basato su polinomi interpolatori (di tipo spline per la soluzione di flussi potenziali intorno a profili alari sottili. Si forniscono i risultati numerici per un profilo simmetrico ad angolo d'attacco che dimostrano l'elevata accuratezza numerica del metodo in questione.

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This research was supported by the C.N.R.     

Linear and non-linear pulse propagation in fluid-filled compliant tubes

Summary Here we study impact-initiated disturbances in fluid-filled elastic tubes. The undeformed tube diameter, wall thickness, and elastic modulus of the tube material are assumed to be functions of the distance along the centre line of the tube. The linearized version of the governing equations are solved by the Laplace transform, which is inverted by means of an approximate method. The original non-linear system of governing equations is solved numerically by the method of characteristics. Relationships between the axial fluid velocity and axial coordinate as well as between velocity and time are displayed for fixed values of time and axial coordinate respectively for the linear and nonlinear theory for ease of comparison.

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Sommario Si studiano le perturbazioni prodotte da impatto in tubi elastici riempiti di fluidi. Si assume che il diametro del tubo indeformato, lo spessore della parete e il modulo elastico del materiale del tubo siano funzioni della distanza misurata lungo la linea centrale del tubo. La versione linearizzata delle equazioni che governano il fenomeno è risolta con la trasformata di Laplace, invertita con un metodo approssimato. Il sistema originale non lineare delle equazioni è risolto numericamente con il metodo delle caratteristiche. Vengono rappresentate, per valori fissati del tempo e della coordinata assiale, le relazioni tra la velocità assiale del fluido e la coordinata assiale oltre alle relazioni fra velocità e tempo, sia per la teoria lineare sia per quella non lineare.

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Propagation of periodic long waves

Summary A method is developed for the computation of the steady solution of the shallow water equations with quasi periodic boundary conditions. Because of dissipation the influence of the initial conditions becomes negligible with increasing time and the solution finally depends on the boundary conditions. The unknowns variables (velocity and surface elevation) and the boundary conditions are developed in power series of a small perturbation parameter. The problem is then transformed in a sequence of linear problems which have the same associated homogeneous problem. By separating the time and space variables in the homogeneous problem we obtain an homogeneous elliptic problem of which we compute the first eigenvalues and eigensolutions. These are related to the characteristic oscillations of the water in the basin. The solution of each linear problem is then obtained as an eigensolution expansion with time dependent coefficients. These coefficients are solutions of ordinary differential equations which can be solved directly without proceeding step by step in time. In this way we are reduced to a stationary problem i.e. the determination of the eigenvalues and eigensolutions of the elliptic problem and to the computation of several integrals needed for the determination of the time dependent coefficients. A first test of the method has been carried out for a one-dimensional problem i.e. the tidal wave in a canal of finite length and constant depth. In this case the various steps of the procedure outlined above can be performed analitically. The results have been compared with those obtained by a step by step numerical integration of the shallow water equations. The agreement between these sets of results is good for the range of values of the parameters currently used in the applications.

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Sommario Viene presentato un metodo per il calcolo della soluzione a regime delle equazioni delle onde lunghe, dipendente dalle sole condizioni al contorno quasi-periodiche, dopo aver mostrato che l'influenza delle condizioni iniziali diventa col tempo trascurabile a causa del termine di resistenza. Il metodo si basa sullo sviluppo in serie di potenze di un piccolo parametro sia delle incognite (velocità ed elevazioni del pelo libero) sia delle condizioni al contorno al fine di trasformare il problema non lineare in una serie di problemi lineari aventi lo stesso problema omogeneo associato. Con la separazione delle variabili spazio, tempo quest'ultimo problema viene ricondotto ad un problema ellittico omogeneo di cui si calcolano i primi autovalori ed autosoluzioni. Da ultimo la soluzione di ciascun problema lineare è ottenuta come sviluppo in serie di autosoluzioni a coefficienti dipendenti dal tempo: questi si ricavano risolvendo analiticamente delle equazioni differenziali ordinarie. Si elimina cosi la necessità di procedere passo passo nel tempo analogamente ai classici metodi armonici di soluzione di sistemi lineari. Riassumendo, l'applicazione del metodo riconduce alla soluzione di un problema stazionario (determinazione di autovalori ed autosoluzione del problema ellittico) e quindi al calcolo dei vari integrali necessari per la determinazione dei coefficienti temporali. Il metodo è stato provato nel caso semplice della propagazione di onde di marea in un canale di lunghezza finita e sezione costante. Per questo esempio i vari passi di calcolo possono essere svolti analiticamente. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla integrazione numerica delle equazioni col metodo delle caratteristiche, ottenendo un buon accordo.

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Work sponsored by the CNR (National Research Council) in the framework of Project ?Conservazione del suolo? Subproject ?Dinamica dei Litorali? Publ. n° 46.     

Rational criteria for quantifying the performance of mechanical presses

Summary In the practical mechanics a great interest have for the mechanical engineers the questions concerning a correct definition of the performance of a mechanical press and the theoretical and practical methods to determine its allowable limit in service.After a preliminary study on the parameters really significant, this paper shows an analytic method to get, in quantitative form, the solution of the problems concerning the determination of the duty conditions compatible with the regular operation of a mechanical press.As a conclusion, some general relations are proposed in order to describe quantitatively the performance of a mechanical press and to give a rational form to the set of mechanical quantities characterising it.

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Sommario Nel campo della ingegneria meccanica, un grande interesse rivestono le questioni concernenti la corretta definizione delle prestazioni di una pressa e i metodi teorici e pratici per determinare i corrispondenti limiti ammissibili di esercizio.Dopo uno studio preliminare sui parametri realmente significativi, viene esposto un metodo analitico per ottenere la soluzione in forma quantitativa di problemi concernenti con la determinazione delle condizioni di esercizio compatibili con il regolare funzionamento della pressa.Come conclusione, si propongono alcune generali relazioni per la formulazione quantitativa delle prestazioni delle presse meccaniche e per descrivere in forma razionale le caratteristiche operative e di impiego di detta macchina.

     

A two-step godunov-type scheme for the euler equations

A second-order Godunov-type scheme for the Euler equations in conservation form is derived. The method is based on the ENO formulation proposed by Harten et al. The fundamental difference lies in the use of a two-step scheme to compute the time evolution. The scheme is TVD in the linear scalar case, and gives oscillation-free solutions when dealing with nonlinear hyperbolic systems. The admissible time step is twice that of classical Godunovtype schemes. This feature makes it computationally cheaper than one-step schemes, while requiring the same computer storage.

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Sommario Viene data una nuova estensione al secondo ordine del metodo di Godunov per la soluzione delle equazioni di Eulero in forma conservativa. Il metodo é basato sulla formulazione ENO proposta da Harten et al. La differenza fondamentale consiste nel calcolo dell'evoluzione temporale, ottenuta mediante uno schema a due passi. Questo consente l'uso di un passo di integrazione nel tempo doppio rispetto agli altri schemi alla Godunov ad un solo passo. Il metodo proposto risulta quindi piú efficiente e puó inoltre essere implementato senza alcun aumento dell'occupazione di memoria. Viene dimostrato che lo schema é TVD nel caso lineare, e che fornisce soluzioni prive di oscillazioni spurie nel caso di sistemi non-lineari.

     

A numerical method for solving equilibrium problems of masonry-like solids

This paper proposes a numerical method for the solution of equilibrium problems of solids which do not support tension. Some boundary-value problems are solved numerically and the solution obtained is compared to the exact one.

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Sommario In questo lavoro viene proposto un metodo numerico per la soluzione di problemi di equilibrio di solidi non resistenti a trazione. Vengono successivamente risolti numericamente alcuni problemi di equilibrio e la soluzione ottenuta è confrontata con quella esatta.

     

An analytical approach to the dynamics of rotating shafts

An analytical procedure, based on the dynamic stiffness method, is proposed for the study of rotor dynamics problems. On the grounds of the governing differential equations of a continuous beam, the dynamic stiffness matrix of the rotating Timoshenko beam is derived, including the effects of translational and rotational inertia, gyroscopic moments and shear deformation of the shaft. Concentrated disks and isotropic, elastic bearings are taken into account in the element formulation. The results obtained by the proposed method are compared with both classical closed form solutions and finite element analyses taken from the literature.

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Sommario Nel presente lavoro viene esposto un procedimento analitico, basato sul metodo della rigidezza dinamica, per lo studio del comportamento dinamico dei rotori. In particolare, è ricavata la matrice di rigidezza dinamica della trave di Timoshenko rotante, che consente di tenere conto degli effetti dell'inerzia alla traslazione e alla rotazione, del momento giroscopico distribuito e della deformazione a taglio della trave. Nell'ambito della formulazione proposta, è possibile considerare, mediante inserimento diretto nella matrice di rigidezza dinamica, gli effetti dovuti alla presenza di dischi e di supporti elastici isotropi. Il metodo proposto è applicato alla determinazione delle velocità critiche di sistemi rotanti, con riferimento sia a casi semplici, per i quali è nota la soluzione analitica, sia al caso piu' complesso di un rotore già studiato in letteratura; per quest'ultimo esempio, in particolare, è presentato un confronto con i risultati delle analisi agli elementi finiti svolte da altri autori.