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.

Sobre el establecimiento de estimadores e indicadores para los métodos de contorno p-adaptables en problemas de potencial

El establecimiento de métodos numéricos capaces de garantizar una cota de exactitud previamente establecida y de autoadaptar la discretización inicial hasta conseguirlo es una de las tendencias más atractivas en la actualidad. En artículos previos se ha mostrado cómo se puede conseguir ésto con el método de los elementos de contorno y aquí se desarrollan nuevas ideas, inspiradas en tratamientos paralelos con el método de los elementos finitos, para fijar los criterios de adaptaci6n y estimación.

Determinación de las tensiones en cabezas de anclaje

El problema de la concentración de tensiones en las proximidades de las cabezas de anclaje ha sido tratado utilizando diversos procedimientos basados en la teoría de la elasticidad, tanto en el caso de anclajes en bloques extremos de vigas pretensadas, como en anclajes pasivos incluidos dentro del material, ya sea este hormigón o suelo en el caso de tablestacas. Los procedimientos más utilizados envuelven un elevado grado de aproximación ante la necesidad de reducir un problema de esta complejidad a los niveles normales en la ingeniería. El presente trabajo analiza el problema bajo dos ópticas diferentes: Primero, un estudio analítico de las tensiones en las proximidades de un anclaje sumergido dentro de un medio cuyos contornos libres se encuentran alejados de él; en segundo lugar se estudia el problema utilizando un método numérico, el Método de los Elementos de Contorno, que hace posible la obtención de la solución no sólo en tensiones sino en desplazamientos y permite tener en cuenta el espesor real de la placa de anclaje, la existencia de bordes libres próximos a un anclaje incluida en el material o el caso de anclajes en los bloques extremos de vigas. El método de los elementos de contorno está siendo objeto de atención en los últimos años por parte de investigadores de muchos países y sus características lo hacen muy indicado frente al método de los Elementos Finitos para problemas como este donde existen zonas de concentración de tensiones o grandes zonas que modelar.

Modelos numéricos en la construcción de los túneles de "El Padrún"

La construcción de los túneles de El Padrún constituye un hito en la realización de obras subterráneas en España. Su ejecución se ha caracterizado por la utilización de la más reciente tecnología. La aplicación del llamado Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM) como base del proyecto se ha llevado a cabo con rigor en todos sus extremos. De acuerdo a esta filosofía, el trabajo de la Asistencia Técnica se ha centrado en una doble línea: el control instrumental sistemático de la obra, y la interpretación de los datos recogidos mediante análisis numérico. El primer objetivo se ha cubierto mediante un ambicioso plan de instrumentación. En él se han incluido medidas para la caracterización del sistema terreno-sostenimiento. La información se ha mantenido centralizada en una base de datos dispuesta a pie de obra. Los datos recogidos de la instrumentación han sido la base de modelos teóricos desarrollados con el objetivo de interpretar la evolución de convergencias e identificar las presiones actuantes sobre el sostenimiento. Por otro lado, en el análisis de estabilidad exterior e interior se han aplicado refinadas técnicas de cálculo numérico (Elementos Finitos, Elementos de Contorno, Teoría de Bloques etc.). Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica de Métodos de Fiabilidad. En ella se aborda, con un planteamiento avanzado, el problema de evaluación de la seguridad de la obra.

Análisis elástico del estado tensional en las inmediaciones de anclajes pasivos

En ciertas ocasiones: hormigón pretensado, muros anclados, etc., se presenta la necesidad de estudiar el armado en las proximidades de anclajes pasivos, o bien analizar las tensiones producidas. En este artículo se asimila el anclaje pasivo a una placa infinitamente rígida que, por efecto de la carga de pretensado, se adhiere al material adyacente por una de sus caras, formando el conjunto una fisura semirrígida. El problema elástico se reduce a la determinación de unas funciones seccionalmente holomorfas, que aparecen como la resolución de un problema homogéneo de Hilbert. La resolución se consigue por aplicación de las fórmulas de Plemelj. Haciendo variar el ángulo de ataque y las características del material se presentan algunos resultados notables. Por último se resuelve el problema mediante un método numérico, el método de los elementos de contorno, y se comparan resultados.

Estudio y aplicación de redes neuronales artificiales al análisis y diseño de antenas reflectarrays

En los últimos años, estamos siendo testigos de la alta implantación en la sociedad de dispositivos de comunicación. Lo que hace años estaba reservado a un público reducido, con claras necesidades en comunicación, se ha trasladado al público general, dado la amplia variedad de servicios que sobre los nuevos medios de comunicación se han desarrollado. De hecho, el mayor tráfico de datos en la actualidad no se produce al hilo de necesidades de máxima importancia, sino como producto de nuevos hábitos cotidianos. En este contexto de renovación tecnológica constante en busca de la eficiencia, las antenas reflectoras reflectarray (o, simplemente, los reflectarrays, RAs, [1]) se presentan como una opción competitiva contra los reflectores parabólicos metálicos. En su versión más simple, una antena reflectarray se trata de una estructura compuesta de un elemento alimentador radiante, como puede ser una bocina, y de una superficie plana, consistente en multitud de elementos individuales dispuestos en una rejilla periódica. Sobre esta superficie plana, los frentes de onda provenientes del alimentador son reflejados formando frentes de ondas planas, de una manera análoga a como lo hace un reflector parabólico. A partir de la configuración inicial, y centrándose en el principio de funcionamiento, se ha ido modificando el tipo de elemento RA empleado, consiguiendo RA cada vez más operativos. Es, sobre todo, con el nacimiento de la tecnología impresa cuando las antenas RAs vuelven a cobrar interés. Aunque el uso de tecnología impresa supuso un gran impulso en los RAs, también abrió otros desafíos en lo que al diseño de ellos se refiere. Desde el punto de vista del análisis, es común suponer que el elemento RA se encuentra en un ambiente infinitamente periódico, de forma que se puedan aplicar las condiciones de contorno de Floquet (suposición de periodicidad local). Desde un punto de vista funcional, en general, los elementos RA de tecnología impresa presentan un ancho de banda reducido, que condiciona el ancho de banda del RA completo. Entre las soluciones aportadas, es comúnmente aceptado que las estructuras multicapa, con resonadores a distintas frecuencias cercanas, pueden mitigar en parte el problema del ancho de banda. Por ello, en la actualidad, los elementos RA más comunes están compuestos por varios elementos resonadores, cuyas dimensiones constituyen los parámetros de diseño libres. Es decir, en función de dichas dimensiones, el elemento RA tendrá un valor del coeficiente de reflexión u otro. Esto supone un aumento en la complejidad a la hora de analizar dicho elemento por los métodos numéricos conocidos, como el Método de los Momentos (MoM) o el Método de Elementos Finitos (FEM, por las siglas de su traducción inglesa Finite Element Method), que redundará en un mayor tiempo de cómputo en el análisis. Por otra parte, como se muestra en la Figura R.1, el diseño de un RA conlleva analizar multitud de veces el elemento RA considerado. En efecto, se trata de un método de diseño indirecto, en donde las dimensiones de los parámetros geométricos libres de cada elemento RA se obtienen de manera iterativa usando un optimizador. Se ve claro, entonces, que el aumento en tiempo de análisis del elemento RA repercute en gran medida en el tiempo de diseño total, por lo que una reducción en el tiempo de análisis del elemento RA podría ser muy beneficioso. Uno de los métodos para conseguir reducir el tiempo de diseño de un RA, que se puede encontrar en la literatura, es emplear un modelo de la respuesta del elemento RA en función de los parámetros libres. La cuestión que aflora es cuál es la herramienta idónea para modelar la respuesta del elemento RA. En los últimos años se han propuestos varias formas. La primera de ellas consistía en encontrar un equivalente circuital. Esta aproximación está bien extendida para otras estructuras EM, donde los equivalentes circuitales con componentes LC ofrecen respuestas muy precisas con respecto a las que ofrecen las estructuras EM en sí. A raíz del carácter no lineal de la respuesta, hay autores que han propuesto para el diseño de RAs la creación de tablas de datos (look up tables) que, para cada parámetro de diseño de interés (suele ser el desfase introducido por el elemento) guardan las dimensiones de los parámetros geométricos libres asociados. De esta forma, consiguen un diseño rápido, pero poco versátil, ya que la tabla ofrece un único valor para cada entrada, por lo que es difícil jugar con más de una restricción de diseño. Más recientemente, se está comenzando a utilizar, para la caracterización de estructuras EM, unos sistemas llamados Redes Neuronales Artificiales (ANN, por sus siglas en inglés Artificial Neural Network). El uso fundamental de los mismos en EM es el de servir como interpoladores no lineales. Se trata de sistemas que admiten múltiples parámetros de entradas y múltiples parámetros de salida. Antes de poder ser usados como interpoladores, deben ser entrenados. Para ello, necesitan de un conjunto de pares de los parámetros de entrada a la red, con los valores de las salidas asociados. Algunos usos en electromagnetismo de las ANNs que se pueden encontrar en la literatura son: el modelado de filtros; la caracterización de dispositivos activos; la obtención de modelos que aceleran los algoritmos que calculan la dirección de llegada en antenas de radar; o el diseño de arrays de antenas. Volviendo al modelado de elementos RA, en este trabajo haremos uso de las ANNs para caracterizar distintos tipos de elementos RA. A lo largo de estos últimos años, se ha considerado esta posibilidad como una de las más prometedoras. De hecho, podemos encontrar algunas pocas referencias al respecto, varias de las cuales han sido publicadas por distintos autores durante la elaboración del trabajo recogido en esta Tesis. Como veremos, los resultados que vamos a presentar aportan novedades con respecto a la citada literatura. Particularmente, en este trabajo se ha realizado la caracterización de un elemento RA de tres capas, considerando hasta 9 parámetros de entrada (seis parámetros geométricos, las dos coordenadas del ángulo de incidencia, y la frecuencia) y 4 parámetros de salida complejos (los coeficientes de reflexión para dos polarizaciones ortogonales lineales). Haciendo uso de esta caracterización en el flujo de diseño de RAs, se ha realizado el análisis y el diseño de varias antenas RA con restricciones de diseño de comunicaciones espaciales. Los resultados fueron exitosos comparados con los resultados obtenidos por los métodos tradicionales. De manera puntualizada, podríamos resumir las aportaciones que se verán en esta Tesis como: Caracterización de distintos elementos RA mediante ANNs basadas en el Perceptrón Multicapa (MLP). En concreto, se ha realizado con éxito la caracterización de un elemento RA de parche acoplado a línea de retardo a través de apertura; la caracterización de un elemento RA basado en dipolos sobre substratos de distintas características eléctricas en el rango de centenas de GHz; y la caracterización de un elemento RA basado en 3 parches apilados, con 9 parámetros libres en su caracterización. Uso del FEM, de la técnica de segmentación en subdominios y de la generación y manipulación de accesos MAM para el análisis y la caracterización de elementos RA mediante ANNs. Desarrollo de una nueva técnica de obtención de muestras, para el caso de estructura multicapa cuyo estudio EM se pueda dividir en dos pasos: estudio de cada capa y conexión de capas. De esta forma, se ha podido reducir en varios órdenes de magnitud el tiempo necesario para obtener el set de entrenamiento de las ANNs. Valoración del uso de distintos métodos de entrenamiento de segundo orden para el entrenamiento de redes ANN MLP, en la caracterización de elementos RA. Desarrollo de una nueva técnica para realizar el entrenamiento de redes ANNs basadas en el MLP, denominada como Entrenamiento en Cascada. Dado el alto número de parámetros a caracterizar, era difícil conseguir una red que, partiendo del número de entradas deseado, proporcionara convergencia con precisión suficiente. Con el algoritmo propuesto y probado en esta Tesis, se consiguió entrenar redes de 8 parámetros de entradas (el noveno parámetro, la frecuencia, correspondía a redes diferentes para cada valor) con gran precisión. Desarrollo de un método adaptativo para mejorar la precisión de las ANNs en el análisis de antenas RA. Este método, basado en re-entrenar las ANNs para sub rangos de los parámetros de entrada en donde el error es mayor, aporta una precisión mayor, al mejorar el entrenamiento global de las ANNs, en un tiempo aceptable, ya que solo se incluyen nuevas muestras en torno a los valores donde el error es mayor. Análisis de antena RA completa, con cobertura según especificaciones de la misión AMAZONAS (haz conformado, banda Ku), usando las caracterización el elemento RA obtenida mediante ANNs. La mejora en tiempo de análisis conseguida con respecto al uso del MoM está en un factor 102, con precisiones comparables. Diseño de antenas RA completas, con especificaciones de haz pincel y EuTELSAT (banda Ku). De nuevo, la mejora en tiempo de diseño conseguida están en torno a 102. De todos los puntos anteriores, son de destacar los dos últimos, que forman el objetivo principal de esta Tesis. Esto es, el uso de modelos rápidos de elementos RA mediante ANNs para el análisis y el diseño de antenas para comunicaciones por satélite.

Barreras de ondas en medios arcillosos saturados

El uso del Método de los Elementos de Contorno en problemas relacionados con dinámica de suelos está bien establecido por sus ventajas de discretización y precisión. En los casos de arcillas blandas saturadas en que el coeficiente de Poisson pueda tomarse v=0.5 se producen problemas bien conocidos en el Método de los Elementos Finitos mientras que en Elementos de Contorno aparecen efectos relacionados con una mala definición de la solución fundamental. En este artículo se ha utilizado una nueva reordenación de la solución fundamental para estudiar el efecto de reducción en los niveles de vibración cuando se interpone una zanja entre el foco de vibración y el receptor.

Impedancias dinámicas en zapatas rígidas y flexibles sobre medios viscoelásticos

Se presentan aplicaciones recientes del Método de los Elementos de Contorno al cálculo de impedancias de cimentaciones en terrenos viscoelásticos, haciendo especial hincapié en el tratamiento de medios estratificados para problemas con simetría de revolución y en la forma de tratar zapatas flexibles.

Efectividad de trincheras y pantallas en el aislamiento de las vibraciones generadas por el tráfico ferroviario subterráneo

Se aborda un caso práctico de ferrocarril en un túnel soterrado en zona urbana con edificaciones tipo vivienda en las inmediaciones. Como procedimiento numérico para el desarrollo del estudio se ha adoptado el Método de los Elementos de Contorno, debido a las ventajas que presenta, frente a otros más ampliamente difundidos (Elementos Finitos, Diferencias Finitas, etc.), en el modelado de medios infinitos o semi-infinitos. Se ha definido un modelo bidimensional del terreno, en el que se incluye el túnel, con la fuente de excitación, y un edificio tipo. Las características del terreno se han obtenido mediante prospección geofísica. En base a un estudio de sensibilidad se ha simplificado el modelo, verificando su validez mediante comparación de resultados con registros de vibraciones recogidos in situ. Se ha llevado a cabo un estudio paramétrico tomando como referencia el modelo simplificado, en el que se incorporan trincheras así como pantallas de distintos materiales con diversas profundidades y en dos emplazamientos diferentes, obteniendo la reducción del nivel de vibración conseguido en los puntos más significativos del modelo para las distintas soluciones.

Interacción dinámica terreno-estructura en estructuras off-shore

Dentro de los sistemas marinos, las plataformas off shore fijas tipo gravedad, presentan problemas en su proyecto de cimentación especialmente complicados y las técnicas que permiten salvarlos son de una sofisticación muy poco frecuente en otras especialidades de la ingeniería, con la posible excepción de la rama nuclear. En este artículo se trata el problema de la interacción dinámica terreno-estructura para zapatas rígidas circulares apoyadas en superficie sobre terreno estratificado, mediante el Método de los Elementos de Contorno.

Aplicación del M.E.C. al estudio de sistemas elásticos con simetría axial

En este artículo se presenta la aplicación del Método de los Elementos de Contorno a la determinación del campo de desplazamientos y tensiones de sistemas axisimétricos en régimen elástico. Desarrollando asimismo, un procedimiento para la determinación de los coeficientes de las matrices de influencia que aparecen en el tratamiento numérico del problema. El estudio del estado tensional del sistema axisimétrico es de obvio interés en Ingeniería, pudiendo citarse entre otras las siguientes aplicaciones: estudio de vasijas de todo tipo, y cobrando plena actualidad las vasijas de los reactores nucleares; efecto de grietas y entallas; efecto de la colocación de zunchos de pretensado en depósitos de hormigon armado, etc. El tratamiento numérico de este tipo de problemas se produce como consecuencia de la dificultad de encontrar soluciones cerradas para las ecuaciones de campo que definen el problema, ecuaciones que aunque establecidas hace tiempo, sólo han sido resueltas en casos particulares. La ventaja de la utilización del M.E.C.,frente a los métodos de dominio, se pone de manifiesto en el estudio de este tipo de sistemas ya que la consideración de una malla monodimensional es suficiente para representar la discretización del contorno, produciendose una considerable reducción del tiempo de cómputo.

Transmisión de vibraciones generadas por el tráfico ferroviario

Con este capítulo se pretende mostrar la utilidad de un método numérico de cálculo para el análisis de situaciones, el estudio comparativo de alternativas y el proyecto de soluciones. En este caso el procedimiento adoptado, el método de los elementos de contorno (MEC), está especialmente ajustado a las características del problema entre ellas: comportamiento lineal, trabajo en el dominio de la frecuencia, contornos infinitos, incorporación automática del amortiguamiento de radiación., etc. También es de interés la posibilidad de trabajar a dos niveles, utilizando el MEC para obtener la impedancia dinámica del medio, incluyendo sostenimiento del túnel y edificios adyacentes, que luego se incorpora a modelos tradicionales. Ello abre la posibilidad del uso de la metodologia a otro tipo de problemas.

Modelado de la estructura

Se estudia el modelado de la estructura en tres ámbitos: los modelos de masas concentradas, los modelos contínuos y la discretización consistente de modelos contínuos. Dentro del apartado de los modelos de masas concentradas, se hace referencia a la viga de Timoshenko, el cilindro de sección indeformable, el modelado de edificios como voladizo equivalente y las estructuras reticulares. Seguidamente, en lo relativo a los modelos contínuos, se profundiza en la influencia de la incercia de rotación y la deformación tangencial. Para terminar, y respecto a la discretización consistente de modelos contínuos, el autor se detiene en el método de Rayleigh-Ritz y la discretización de Kantorovitch; el método de los elementos finitos (F.E.M.) y el método de los elementos de contorno (B.I.E.M.).

Consideraciones sobre el cálculo sísmico de presas-bóveda

En esta comunicación se ponen de manifiesto las características que debe reunir un modelo para el cálculo sísmico de presas-bóveda. Se analizan los factores locales que influyen sobre la solicitación sísmica que actúa en una ubicación concreta. Se destaca la importancia que en el comportamiento sísmico de estas construcciones tiene la interacción entre presa, suelo y embalse los cuales constituyen un único sistema dinámico que se ve afectado por factores tales como: la geometría de la presa y el vaso, las propiedades del suelo, la posible falta de homogeneidad subterránea y la presencia de sedimentos de fondo. A la luz de los anteriores factores y en general de las características propias de las presas-bóveda, el suelo y los embalses, se discuten las posibilidades que ofrecen y los inconvenientes que tienen algunos de los modelos de Elementos Finitos existentes. Se presenta un modelo de Elementos de Contorno que, por las características propias de este método, resulta muy adecuado.

Modelos sin malla en simulación numérica de estructuras aeroespaciales

La presente Tesis Doctoral aborda la introducción de la Partición de Unidad de Bernstein en la forma débil de Galerkin para la resolución de problemas de condiciones de contorno en el ámbito del análisis estructural. La familia de funciones base de Bernstein conforma un sistema generador del espacio de funciones polinómicas que permite construir aproximaciones numéricas para las que no se requiere la existencia de malla: las funciones de forma, de soporte global, dependen únicamente del orden de aproximación elegido y de la parametrización o mapping del dominio, estando las posiciones nodales implícitamente definidas. El desarrollo de la formulación está precedido por una revisión bibliográfica que, con su punto de partida en el Método de Elementos Finitos, recorre las principales técnicas de resolución sin malla de Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales, incluyendo los conocidos como Métodos Meshless y los métodos espectrales. En este contexto, en la Tesis se somete la aproximación Bernstein-Galerkin a validación en tests uni y bidimensionales clásicos de la Mecánica Estructural. Se estudian aspectos de la implementación tales como la consistencia, la capacidad de reproducción, la naturaleza no interpolante en la frontera, el planteamiento con refinamiento h-p o el acoplamiento con otras aproximaciones numéricas. Un bloque importante de la investigación se dedica al análisis de estrategias de optimización computacional, especialmente en lo referente a la reducción del tiempo de máquina asociado a la generación y operación con matrices llenas. Finalmente, se realiza aplicación a dos casos de referencia de estructuras aeronáuticas, el análisis de esfuerzos en un angular de material anisotrópico y la evaluación de factores de intensidad de esfuerzos de la Mecánica de Fractura mediante un modelo con Partición de Unidad de Bernstein acoplada a una malla de elementos finitos. ABSTRACT This Doctoral Thesis deals with the introduction of Bernstein Partition of Unity into Galerkin weak form to solve boundary value problems in the field of structural analysis. The family of Bernstein basis functions constitutes a spanning set of the space of polynomial functions that allows the construction of numerical approximations that do not require the presence of a mesh: the shape functions, which are globally-supported, are determined only by the selected approximation order and the parametrization or mapping of the domain, being the nodal positions implicitly defined. The exposition of the formulation is preceded by a revision of bibliography which begins with the review of the Finite Element Method and covers the main techniques to solve Partial Differential Equations without the use of mesh, including the so-called Meshless Methods and the spectral methods. In this context, in the Thesis the Bernstein-Galerkin approximation is subjected to validation in one- and two-dimensional classic benchmarks of Structural Mechanics. Implementation aspects such as consistency, reproduction capability, non-interpolating nature at boundaries, h-p refinement strategy or coupling with other numerical approximations are studied. An important part of the investigation focuses on the analysis and optimization of computational efficiency, mainly regarding the reduction of the CPU cost associated with the generation and handling of full matrices. Finally, application to two reference cases of aeronautic structures is performed: the stress analysis in an anisotropic angle part and the evaluation of stress intensity factors of Fracture Mechanics by means of a coupled Bernstein Partition of Unity - finite element mesh model.