Analysis of The Key Parameters in Pedestrian Safety Assessment for the European Vehicle Fleet Using Multibody and Finite Element Mathematical Models

Esta tesis investiga cuales son los parámetros más críticos que condicionan los resultados que obtienen en los ensayos de protección de peatones la flota Europea de vehículos, según la reglamentación europea de protección de peatones de 2003 (Directiva CE 2003/102) y el posterior Reglamento de 2009 (Reglamento CE 2009/78). En primer lugar se ha analizado el contexto de la protección de peatones en Europa, viendo la historia de las diferentes propuestas de procedimientos de ensayo así como los cambios (y las razones de los mismos) que han sufrido a lo largo del proceso de definición de la normativa Europea. Con la información disponible de más de 400 de estos ensayos se han desarrollado corredores de rigidez para los frontales de los diferentes segmentos de la flota de vehículos europea, siendo este uno de los resultados más relevantes de esta tesis. Posteriormente, esta tesis ha realizado un estudio accidentológico en detalle de los escenarios de atropello de peatones, identificando sus características más relevantes, los grupos de población con mayor riesgo y los tipos de lesiones más importantes que aparecen (en frecuencia y severidad), que han sentado las bases para analizar con modelos matemáticos hasta qué punto los métodos de ensayo propuestos realmente tienen estos factores en cuenta. Estos análisis no habrían sido posibles sin el desarrollo de las nuevas herramientas que se presentan en esta tesis, que permiten construir instantáneamente el modelo matemático de cualquier vehículo y cualquier peatón adulto para analizar su iteración. Así, esta tesis ha desarrollado una metodología rápida para desarrollar modelos matemáticos de vehículos a demanda, de cualquier marca y modelo y con las características geométricas y de rigidez deseados que permitan representarlo matemáticamente y del mismo modo, ha investigado cómo evoluciona el comportamiento del cuerpo humano durante el envejecimiento y ha implementado una funcionalidad de escalado en edad al modelo de peatón en multicuerpo de MADYMO (ya escalable en tamaño) para permitir modelar ad hoc cualquier peatón adulto (en género y edad). Finalmente, esta tesis también ha realizado, utilizando modelos de elementos finitos del cuerpo humano, diferentes estudios sobre la biomecánica de las lesiones más frecuentes de este tipo de accidentes, (en piernas y cabeza) con el objetivo de mejorar los procedimientos de ensayo para que predigan mejor el tipo de lesiones que se quieren evitar. Con el marco temporal y las condiciones de contorno de esta tesis se han centrado los esfuerzos en reforzar algunos aspectos críticos pero puntuales sobre cómo mejorar el ensayo de cabeza y, sobretodo, en proponer soluciones viables y con un valor añadido real al ensayo de pierna contra parachoques, sin cambiar la esencia del mismo pero proponiendo un nuevo impactador mejorado que incorpore una masa extra que representa a la parte superior del cuerpo y sea válido para toda la flota europea de vehículos independiente de la geometría de su frontal.

A two-dimensional finite element model of front surface current flow in cells under non-uniform, concentrated illumination

A two-dimensional finite element model of current flow in the front surface of a PV cell is presented. In order to validate this model we perform an experimental test. Later, particular attention is paid to the effects of non-uniform illumination in the finger direction which is typical in a linear concentrator system. Fill factor, open circuit voltage and efficiency are shown to decrease with increasing degree of non-uniform illumination. It is shown that these detrimental effects can be mitigated significantly by reoptimization of the number of front surface metallization fingers to suit the degree of non-uniformity. The behavior of current flow in the front surface of a cell operating at open circuit voltage under non-uniform illumination is discussed in detail.

Análisis del estado de tensiones en uniones carpinteras de empalme de llave por el método de los elementos finitos

El objeto del presente trabajo es la determinación de la distribución de tensiones en la unión carpintera de empalme de llave mediante el método de los elementos finitos y su comparación con los valores obtenidos mediante la teoría de Resistencia de Materiales. Se analizan las zonas donde se produce concentración de tensiones y se estudia la influencia del refino de la malla sobre los resultados con el fin de determinar el tamaño que proporciona los valores de tensión más ajustados a la teoría. En las zonas donde la concentración de tensiones es menor, distintos tamaños de la malla muestran valores de tensión similares. Los resultados muestran una simetría central de la distribución de isotensiones donde el centro de simetría se corresponde con el centro geométrico de la unión. En las zonas donde se produce concentración de tensiones, los valores de las mismas aumentan considerablemente con el refino de la malla. La comparación de los niveles de tensiones normales obtenidos por el MEF y la teoría clásica muestran diferencias reducidas, excepto en los puntos de concentración de tensiones. The purpose of this study is to determine the stress distribution in the joint carpenter of halved and tabled joint with the finite element method and its comparison with the values obtained using the theory of Strength of Materials. The stress concentration areas where analyzed and the influence of mesh refinement was studied on the results in order to determine the mesh size that provides the stress values more consistent with the theory. In areas where stress concentration is lower, different mesh sizes show similar stress values. The results show a central symmetry of the isobar lines distribution where the centre of symmetry corresponds to the geometric centre of the joint. In areas where stress concentration occurs, the same values increase considerably with the refinement of the mesh. Comparison of normal stress levels obtained by the FEM and the classical theory shows small differences, except at points of stress concentration.

The use of direct boundary element method for gaining insight into complex seismic site response

The boundary element method is specially well suited for the analysis of the seismic response of valleys of complicated topography and stratigraphy. In this paper the method’s capabilities are illustrated using as an example an irregularity stratified (test site) sedimentary basin that has been modelled using 2D discretization and the Direct Boundary Element Method (DBEM). Site models displaying different levels of complexity are used in practice. The multi-layered model’s seismic response shows generally good agreement with observed data amplification levels, fundamental frequencies and the high spatial variability. Still important features such as the location of high frequencies peaks are missing. Even 2D simplified models reveal important characteristics of the wave field that 1D modelling does not show up.

A mathematical framework for finite strain elastoplastic consolidation. Part 1: Balance laws, variational formulation, and linearization

A mathematical formulation for finite strain elasto plastic consolidation of fully saturated soil media is presented. Strong and weak forms of the boundary-value problem are derived using both the material and spatial descriptions. The algorithmic treatment of finite strain elastoplasticity for the solid phase is based on multiplicative decomposition and is coupled with the algorithm for fluid flow via the Kirchhoff pore water pressure. Balance laws are written for the soil-water mixture following the motion of the soil matrix alone. It is shown that the motion of the fluid phase only affects the Jacobian of the solid phase motion, and therefore can be characterized completely by the motion of the soil matrix. Furthermore, it is shown from energy balance consideration that the effective, or intergranular, stress is the appropriate measure of stress for describing the constitutive response of the soil skeleton since it absorbs all the strain energy generated in the saturated soil-water mixture. Finally, it is shown that the mathematical model is amenable to consistent linearization, and that explicit expressions for the consistent tangent operators can be derived for use in numerical solutions such as those based on the finite element method.

Elastoplastic consolidation at finite strain. Part 2: finite element implementation and numerical examples

A mathematical model for finite strain elastoplastic consolidation of fully saturated soil media is implemented into a finite element program. The algorithmic treatment of finite strain elastoplasticity for the solid phase is based on multiplicative decomposition and is coupled with the algorithm for fluid flow via the Kirchhoff pore water pressure. A two-field mixed finite element formulation is employed in which the nodal solid displacements and the nodal pore water pressures are coupled via the linear momentum and mass balance equations. The constitutive model for the solid phase is represented by modified Cam—Clay theory formulated in the Kirchhoff principal stress space, and return mapping is carried out in the strain space defined by the invariants of the elastic logarithmic principal stretches. The constitutive model for fluid flow is represented by a generalized Darcy's law formulated with respect to the current configuration. The finite element model is fully amenable to exact linearization. Numerical examples with and without finite deformation effects are presented to demonstrate the impact of geometric nonlinearity on the predicted responses. The paper concludes with an assessment of the performance of the finite element consolidation model with respect to accuracy and numerical stability.

Preface : (Boundary Element Method) Computers and Structures 83 (2005)

The Boundary Element Method is a powerful numerical technique well rooted in everyday engineering practice. This is shown by boundary element methods included in the most important commercial computer packages and in the continuous publication of books composed to explain the features of the method to beginners or practicing engineers. Our first paper in Computers & Structures on Boundary Elements was published in 1979 (C & S 10, pp. 351–362), so this Special Issue is for us not only the accomplishment of our obligation to show other colleagues the possibilities of a numerical technique in which we believe, but also the celebration of our particular silver jubilee with this Journal.

The direct boundary element method: 2D site effects assessment on laterally varying layered media (methodology)

The Direct Boundary Element Method (DBEM) is presented to solve the elastodynamic field equations in 2D, and a complete comprehensive implementation is given. The DBEM is a useful approach to obtain reliable numerical estimates of site effects on seismic ground motion due to irregular geological configurations, both of layering and topography. The method is based on the discretization of the classical Somigliana's elastodynamic representation equation which stems from the reciprocity theorem. This equation is given in terms of the Green's function which is the full-space harmonic steady-state fundamental solution. The formulation permits the treatment of viscoelastic media, therefore site models with intrinsic attenuation can be examined. By means of this approach, the calculation of 2D scattering of seismic waves, due to the incidence of P and SV waves on irregular topographical profiles is performed. Sites such as, canyons, mountains and valleys in irregular multilayered media are computed to test the technique. The obtained transfer functions show excellent agreement with already published results.

Modelling of corrosion-induced cover cracking in reinforced concrete by an embedded cohesive crack finite element

Corrosion of a reinforcement bar leads to expansive pressure on the surrounding concrete that provokes internal cracking and, eventually, spalling and delamination. Here, an embedded cohesive crack 2D finite element is applied for simulating the cracking process. In addition, four simplified analytical models are introduced for comparative purposes. Under some assumptions about rust properties, corrosion rate, and particularly, the accommodation of oxide products within the open cracks generated in the process, the proposed FE model is able to estimate time to surface cracking quite accurately. Moreover, emerging cracking patterns are in reasonably good agreement with expectations. As a practical case, a prototype application of the model to an actual bridge deck is reported.

An efficient nonlinear transformation for the numerical computation of the singular integrals appearing in the 2-D Boundary Element Method

We discuss several methods, based on coordinate transformations, for the evaluation of singular and quasisingular integrals in the direct Boundary Element Method. An intrinsec error of some of these methods is detected. Two new transformations are suggested which improve on those currently available.

Goal-oriented self-adaptive hp-strategies for finite element analysis of electromagnetic scattering and radiation problems

In this paper, a fully automatic goal-oriented hp-adaptive finite element strategy for open region electromagnetic problems (radiation and scattering) is presented. The methodology leads to exponential rates of convergence in terms of an upper bound of an user-prescribed quantity of interest. Thus, the adaptivity may be guided to provide an optimal error, not globally for the field in the whole finite element domain, but for specific parameters of engineering interest. For instance, the error on the numerical computation of the S-parameters of an antenna array, the field radiated by an antenna, or the Radar Cross Section on given directions, can be minimized. The efficiency of the approach is illustrated with several numerical simulations with two dimensional problem domains. Results include the comparison with the previously developed energy-norm based hp-adaptivity.

Application of the Boundary Element Method to the Analysis of Bridge Abutments

The B.E. technique is applied to an interesting dynamic problem: the interaction between bridges and their abutments. Several two-dimensional cases have been tested in relation with previously published analytical results. A three-dimensional case is also shown and different considerations in relation with the accuracy of the method are described.

Finite Element Analysis Model of a Contactless Transformer for Battery Chargers in Electric Vehicles

A contactless transformer model is proposed in this paper using Finite Element Analysis (FEA). This model can be used to simulate Inductive Coupling Power Transfer (ICPT) systems with good accuracy of the transformer and reduce the fabrication time of these systems. The model not only takes into account the geometry of the windings but also the frequency effects in them. As the transformer does not have a magnetic core, it is complicated to model because the flux is expanded in the area around the windings. In order to obtain a very accurate model, it is necessary to use a 2D/3D field solver.

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.

Impedance of foundations using the Boundary Integral Equation Method

Dynamic soil-structure interaction has been for a long time one of the most fascinating areas for the engineering profession. The building of large alternating machines and their effects on surrounding structures as well as on their own functional behavior, provided the initial impetus; a large amount of experimental research was done,and the results of the Russian and German groups were especially worthwhile. Analytical results by Reissner and Sehkter were reexamined by Quinlan, Sung, et. al., and finally Veletsos presented the first set of reliable results. Since then, the modeling of the homogeneous, elastic halfspace as a equivalent set of springs and dashpots has become an everyday tool in soil engineering practice, especially after the appearance of the fast Fourier transportation algorithm, which makes possible the treatment of the frequency-dependent characteristics of the equivalent elements in a unified fashion with the general method of analysis of the structure. Extensions to the viscoelastic case, as well as to embedded foundations and complicated geometries, have been presented by various authors. In general, they used the finite element method with the well known problems of geometric truncations and the subsequent use of absorbing boundaries. The properties of boundary integral equation methods are, in our opinion, specially well suited to this problem, and several of the previous results have confirmed our opinion. In what follows we present the general features related to steady-state elastodynamics and a series of results showing the splendid results that the BIEM provided. Especially interesting are the outputs obtained through the use of the so-called singular elements, whose description is incorporated at the end of the paper. The reduction in time spent by the computer and the small number of elements needed to simulate realistically the global properties of the halfspace make this procedure one of the most interesting applications of the BIEM.