Contribución al desarrollo de técnicas CAD para el diseño de antenas impresas y dispositivos pasivos de microondas basadas en el método de elementos finitos

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de herramientas numéricas basadas en técnicas de onda completa para el diseño asistido por ordenador (Computer-Aided Design,‘CAD’) de dispositivos de microondas. En este contexto, se desarrolla una herramienta numérica basada en el método de los elementos finitos para el diseño y análisis de antenas impresas mediante algoritmos de optimización. Esta técnica consiste en dividir el análisis de una antena en dos partes. Una parte de análisis 3D que se realiza sólo una vez en cada punto de frecuencia de la banda de funcionamiento donde se sustituye una superficie que contiene la metalización del parche por puertas artificiales. En una segunda parte se inserta entre las puertas artificiales en la estructura 3D la superficie soportando una metalización y se procede un análisis 2D para caracterizar el comportamiento de la antena. La técnica propuesta en esta tesis se puede implementar en un algoritmo de optimización para definir el perfil de la antena que permite conseguir los objetivos del diseño. Se valida experimentalmente dicha técnica empleándola en el diseño de antenas impresas de banda ancha para diferentes aplicaciones mediante la optimización del perfil de los parches. También, se desarrolla en esta tesis un procedimiento basado en el método de descomposición de dominio y el método de los elementos finitos para el diseño de dispositivos pasivos de microonda. Se utiliza este procedimiento en particular para el diseño y sintonía de filtros de microondas. En la primera etapa de su aplicación se divide la estructura que se quiere analizar en subdominios aplicando el método de descomposición de dominio, este proceso permite analizar cada segmento por separado utilizando el método de análisis adecuado dado que suele haber subdominios que se pueden analizar mediante métodos analíticos por lo que el tiempo de análisis es más reducido. Se utilizan métodos numéricos para analizar los subdominios que no se pueden analizar mediante métodos analíticos. En esta tesis, se utiliza el método de los elementos finitos para llevar a cabo el análisis. Además de la descomposición de dominio, se aplica un proceso de barrido en frecuencia para reducir los tiempos del análisis. Como método de orden reducido se utiliza la técnica de bases reducidas. Se ha utilizado este procedimiento para diseñar y sintonizar varios ejemplos de filtros con el fin de comprobar la validez de dicho procedimiento. Los resultados obtenidos demuestran la utilidad de este procedimiento y confirman su rigurosidad, precisión y eficiencia en el diseño de filtros de microondas. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of numerical tools based on full-wave techniques for computer-aided design ‘CAD’ of microwave devices. In this context, a numerical technique based on the finite element method ‘FEM’ for the design and analysis of printed antennas using optimization algorithms has been developed. The proposed technique consists in dividing the analysis of the antenna in two stages. In the first stage, the regions of the antenna which do not need to be modified during the CAD process are initially characterized only once from their corresponding matrix transfer function (Generalized Admittance matrix, ‘GAM’). The regions which will be modified are defined as artificial ports, precisely the regions which will contain the conducting surfaces of the printed antenna. In a second stage, the contour shape of the conducting surfaces of the printed antenna is iteratively modified in order to achieve a desired electromagnetic performance of the antenna. In this way, a new GAM of the radiating device which takes into account each printed antenna shape is computed after each iteration. The proposed technique can be implemented with a genetic algorithm to achieve the design objectives. This technique is validated experimentally and applied to the design of wideband printed antennas for different applications by optimizing the shape of the radiating device. In addition, a procedure based on the domain decomposition method and the finite element method has been developed for the design of microwave passive devices. In particular, this procedure can be applied to the design and tune of microwave filters. In the first stage of its implementation, the structure to be analyzed is divided into subdomains using the domain decomposition method; this process allows each subdomains can be analyzed separately using suitable analysis method, since there is usually subdomains that can be analyzed by analytical methods so that the time of analysis is reduced. For analyzing the subdomains that cannot be analyzed by analytical methods, we use the numerical methods. In this thesis, the FEM is used to carry out the analysis. Furthermore the decomposition of the domain, a frequency sweep process is applied to reduce analysis times. The reduced order model as the reduced basis technique is used in this procedure. This procedure is applied to the design and tune of several examples of microwave filters in order to check its validity. The obtained results allow concluding the usefulness of this procedure and confirming their thoroughness, accuracy and efficiency for the design of microwave filters.

Implementación del método simplet en un programa de elementos finitos basados en volumenes de control

En este trabajo se presenta la implantación del método SIMPLET en un programa de elementos finitos basados en volúmenes de control. Este método toma en cuanta las variaciones de temperatura en la determinación del campo de presiones en problemas de convección libre, con el próposito de acelerar la convergencia y disminuir los tiempos de computación. El método SIMPLET, que originalmente ha sido propuesto en base al método de diferencias finitas con mallas desplazadas, se implementó en un programa de elementos finitos basados en volúmenes de control con mallas no desplazadas. Se resolvió un problema de convección libre en una cavidad cuadrada y los resultados obtenidos en términos del número de iteracciones y tiempo de computación se compararon se compararon con los resultados del método SIMPLE. Los resultados muestran que en este tipo de problemas el método SIMPLET es más rápido que le SIMPLE cuando el número de Rayleigh es bajo, mientras que para números de Rayleigh elevados, el desempeño de ambos métodos es similar.

La versión p-adaptable del Método de los Elementos Finitos y del Método de los Elementos de Contorno: aplicaciones en elasticidad bidimensional

Este trabajo discute la bondad de las técnicas numéricas p-autoadaptables, comparando el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de los Elementos de Contorno(MEC). Se presenta un breve resumen de las herramientas matemáticas necesarias para gobernar el proceso de refinamiento en ambos métodos. Finalmente, se presenta un ejemplo ilustrativo de relevancia práctica en ingeniería, el cual pone de manifiesto la potencia y versatilidad de las técnicas p-adaptables frente a situaciones reales.

Los Métodos de las Características y Elementos Finitos en propagación de ondas

Se presentan a continuación algunas consideraciones acerca de la propagación de ondas en medios unidimensionales elásticos y viscoplásticos. El objetivo básico es la comparación entre diferentes modelizaciones del sistema establecidas siguiendo las técnicas de Elementos Finitos. Como criterio comparativo se utilizan resultados obtenidos mediante el método de las características, que, para el caso descrito proporciona la solución más aproximada. La justificación del trabajo radica en que las técnicas de Elementos Finitos son fácilmente generalizables a problemas bi o tridimensionales,mientras que las de características pierden rápidamente la ventaja de su simplicidad.

Representación de isostáticas para la mejora del mallado de elementos finitos en sólidos elásticos planos

Uno de los problemas primordiales en el cálculo por elementos finitos ha sido la obtención del mallado óptimo tal que se minimice el error obtenido, pudiendo distinguirse los siguientes procedimientos: - Aumento del número de nudos de la malla, fundamentalmente en las zonas del modelo donde aparece un error mayor. - Incrementando el grado de los polinomios de interpolación en los elementos donde el modelo presenta un error mayor. - Una combinación entre el primer y el segundo procedimiento. Según los trabajos realizados en la tesis doctoral de D. Rubén Martínez Marín1, se llega a la conclusión de que, tras medir el error del mallado por dos procedimientos distintos; los nudos de la malla óptima se sitúan a lo largo de las líneas isostáticas. Lo destacable de este resultado es que se obtiene sin variar el número de nudos iniciales, y sin incrementar el grado de los polinomios de interpolación; es decir, únicamente buscando la posición óptima de los nudos. Así, en el presente documento se plantea la realización de dos cálculos por elementos finitos; uno con un mallado convencional formado por elementos rectangulares, y otro con un mallado isostático, y la comparación de su error. Los dos mallados tendrán un número similar de nudos. Como modelo se utiliza una viga en ménsula de 6 m de longitud y 2 m de canto con una carga puntual vertical en su extremo. Todos los algoritmos utilizados se encuentran programados en MATLAB. El presente documento se estructura en las siguientes partes: - Capítulo 1.- Descripción de los trabajos. Donde se realiza un resumen de los trabajos realizados en la creación del presente documento. - Capítulo 2.- Trabajos previos. En el que se resumen los trabajos realizados por otros autores antecedentes del presente documento. - Capítulo 3.- Fundamentos teóricos. Donde se explican las bases teóricas que se van a aplicar en la creación del algoritmo y en su análisis. - Capítulo 4.- Descripción del algoritmo implementado en este trabajo. En este capítulo se analiza la estructura del algoritmo empleado. Incluye diagramas de proceso del programa base y de las principales subrutinas. - Capítulo 5.- Resultados y discusión. Donde se realiza la comparación del error del mallado convencional y del mallado isostático; por un lado comparando las flechas obtenidas en el extremo de la viga en voladizo con el valor exacto de la flecha, y por otro lado utilizando el Error Cuadrático Medio de las tensiones medias. Se termina con un análisis crítico de los resultados. - Capítulo 6.- Conclusiones y futuras líneas de investigación.

Interpolación de Birkhoff a partir de una formulación variacional asociada al método de los elementos finitos

El problema de la interpolación polinómica de Birkhoff, como es conocido, no siempre admite solución. Se presenta un método como alternativa a este tipo de problemas para la obtención de interpolantes con unas condiciones de continuidad determinadas y en el cual el criterio de aproximación es el de minimización de un cierto funcional real, utilizando el método de los elementos finitos. Se analiza la eficiencia del método en diversos ejemplos de aplicación 1-0 y 2-D.

Un estudio sobre la exactitud del método de los elementos finitos : aplicación a la barra recta de sección variable bajo esfuerzos axiles

El objetivo de este trabajo se centra en la formulación clásica del método de los elementos finitos y dentro de ella, únicamente en un aspecto todavía no bien estudiado: su exactitud. En opinión del autor, la complejidad de este estudio, en el estado actual de conocimientos, motiva que aquel no sea susceptible de un planteamiento general. Por esta razón, ha parecido conveniente la consideración de un caso estructural muy simple -la columna de sección variable-, correspondiente a un problema en elementos finitos - de clase C0, que, sin embargo, permite, por un lado, su extensión a situaciones estructurales análogas (problemas de torsión, membranas de revolución, bandas finitas, etc.), sin apenas modificación conceptual, y, por otra parte, aportar indicaciones sobre las posibilidades de llevar a cabo un análisis paralelo en elementos y estructuras más complejos, bien en mayor dimensión (estructuras 2-D y 3-D), bien en requerimientos de continuidad más elevada (estructuras de flexión, tipo c1 , etc.).

Curso básico de programación del método de los elementos finitos

Estas notas que se publican a continuación corresponden a un curso de postgrado impartido durante el primer semestre del año 1983. El interés mostrado por los asistentes a dicho curso nos ha animado a escribir un resumen de las clases. Este libro supone un conocimiento te6rico de las ideas básicas del método de los elementos finitos. No obstante en una primera lección se resumen y ordenan aquellos aspectos mas importantes, que serán utilizados en lecciones sucesivas. En estas se desarrolla un programa de computador muy sencillo -sin complicaciones informáticas que obscurezcan la simplicidad del método- y se analiza de un modo detallado -en forma de organigramas y listados comentados- las distintas rutinas en lenguaje FORTRAN de este programa. Asimismo, y respetando el carácter elemental de la exposición se abren algunas posibilidades de ampliación y nuevos desarrollos del método. Algunos ejercicios y ejemplos al final de cada capítulo se espera permitan clarificar los puntos mas conflictivos del método. Finalmente se reúne en un apéndice, los distintos programas que se han mostrado en las sucesivas lecciones y que con objeto de que puedan ser procesados en microcomputadores se han traducido al lenguaje BASIC. Creemos y la experiencia del curso así nos la ha confirmado, que el método de elementos finitos se debe enseñar y aprender mediante la praxis y presentar los sucesivos desarrollos del método de un modo motivado como solución a problemas numéricos e informáticos que aparecen en su desarrollo. Si las lecciones que aquí se presentan permiten transmitir mejor estas ideas, los autores se sentirán más que recompensados por el trabajo que ha supuesto dar a luz a esta publicación.

Una aplicación del método de los elementos finitos al trazado de carreteras

El método de los elementos finitos ha encontrado numerosas aplicaciones en la resolución de problemas de tipo estructural. No obstante sus posibilidades son mucho más amplias, como se pone de manifiesto en la aplicación que en el siguiente artículo se hace de dicho método al trazado de carreteras, de interés en casos específicos, como el tratamiento de problemas de optimización.

Modelización de la dispersión de contaminantes en la bahía de Santander, mediante el método de los elementos finitos

Existen diferentes métodos para el estudio de la calidad del agua en los estuarios, ríos, lagos, en zonas afectadas por los vertidos de sustancias contaminantes; que van desde los métodos experimentales tradicionales, hasta los más recientes modelos matemáticos. El modelo desarrollado permite resolver la ecuación de dispersión 2—D mediante técnicas en elementos finitos y por lo tanto obtener la evolución espacio-temporal de la concentración de constituyente. Se ha observado su exactitud en diferentes situaciones prácticas, y en particular se ha aplicado a la Bahía de Santander, analizándose el efecto de diferentes tipos de vertidos. El modelo es susceptible de utilizarse conjuntamente con otro modelo hidrodinámico capaz de simular la evolución del campo de velocidades.

Problemas de elementos finitos : curso monográfico : 26-30 de mayo de 1980

Curso monográfico realizado del 26 al 30 de mayo de 1980, en el que se resuelven una serie de problemas de elementos finitos. Los temas tratados son: 1. Problemas generales. Ancho de banda. Diseño de mallas. 2.-Términos numéricos de ecuaciones diferenciales. 3.-Funciones de forma. 4 y 5 - Matrices de rigidez y cargas equivalentes. 6.- Aplicaciones. 7.- Ejercicios de cálculo numérico. 8.-Ejercicios de programación

Modelo numérico basado en el método de los elementos finitos para el estudio de la hidrodinámica de bahías y estuarios

Se ha desarrollado un modelo implícito no lineal 2-D en EF para la resolución de las ecuaciones de aguas poco profundas. La discretización espacial se ha realizado por medio de elementos lagrangianos isoparamétricos. Se ha aplicado la integración numérica de Simpson para obtener las matrices elementales, y para la integración temporal se han utilizado diferentes esquemas en diferencias finitas, comprobándose el modelo con diferentes ejemplos.

Optimización de mallas bidimensionales en elementos finitos

La solución al problema de encontrar la malla óptima en Elementos Finitos (EF), con un determinado número de grados de libertad, presenta un indudable interés en la aplicación del método. En la actualidad, el problema se plantea en términos de un proceso que permite obtener una mejor malla de elementos finitos a partir de una inicial. La nueva malla se diseña matemáticamente (remallado) de forma que el error del método sea lo más uniforme posible en todo el dominio de cálculo. Sin embargo, esta técnica de indudable interés y aplicación, al aumentar el número de grados de libertad (gdl) de la aproximación, no permite deducir de un modo directo el problema de la malla óptima condicionada a un número fijo de gdl. Con la solución de este problema se podrán deducir algunos criterios y recomendaciones para el diseño de una malla de elementos finitos, que exigirá, en general, en un proceso de remallado, modificaciones menores. Para problemas unidimensionales (barras y pilares simples), se pueden encontrar soluciones analíticas. Para problemas 2-D más complicados (tensión y deformación plana), se han utilizado métodos numéricos para obtener la malla óptima. Existen varios criterios de optimización, aquí se utiliza el del mínimo de la energía potencial total (EPT). Algunos ejemplos ilustrativos del método de optimización se presentan, indicándose algunas conclusiones.

Mallas isostáticas bidimensionales en elementos finitos

Se plantea el problema de conseguir un método que, partiendo de una malla inicial en elementos finitos, genere una malla próxima a la óptima, conservando el mismo número de grados de libertad y, por consiguiente, sin penalizar los tiempos de análisis por ordenador. La bondad de una malla se mide por un funcional determinado (Energía Potencial Total, Error Cuadrático Medio, etc.) La Técnica de gradiente descendente, aplicada al funcional de Energía Potencial Total (1) permite, a partir de una inicial dada, obtener una malla mejorada. No obstante, este método requiere un esfuerzo de computación muy grande. Como consecuencia de la aplicación del método del gradiente descendente a numerosos casos, se ha observado que la geometría que adopta la malla mejorada, se aproxima a la de una malla tal que sus nudos se sitúen sobre las líneas isostáticas (envolventes de las tensiones principales) y generen elementos regulares (de lados iguales) o cuasirregulares. La conclusión más importante es, precisamente, que a partir de una malla inicial, razonablemente regular, se puede realizar un único análisis y definir las isostáticas correspondientes a este modelo. Ajustando una malla, con el mismo número de nudos que la inicial, a las líneas isostáticas con nudos situados de forma regular, se obtiene otra que está próxima a la óptima. A la malla así obtenida, se la denomina isostática isométrica. Esta conclusión se ha probado que es válida para los diferentes funcionales que se utilizan para evaluar la bondad de la malla en elementos finitos.

Una familia de elementos finitos clase C.1. Aplicación a la flexión de placas de Kirchhoff

Se hace una pequeña introducción y después un estudio sobre las posibilidades y limitaciones en análisis de placas delgadas de elementos simples polinómicos de clase C.1. Se expone una familia jerárquica de dichos elementos, que se aplica a varios casos particulares. En base a estos se deducen algunas conclusiones, especialmente en lo que se refiere a eficacia computacional. Al final se proponen trabajos a realizar a partir de los datos existentes.