Continuum models of the mechanical behavior of rolled and die-cast magnesium alloys

En los últimos años ha habido una fuerte tendencia a disminuir las emisiones de CO2 y su negativo impacto medioambiental. En la industria del transporte, reducir el peso de los vehículos aparece como la mejor opción para alcanzar este objetivo. Las aleaciones de Mg constituyen un material con gran potencial para el ahorro de peso. Durante la última década se han realizado muchos esfuerzos encaminados a entender los mecanismos de deformación que gobiernan la plasticidad de estos materiales y así, las aleaciones de Mg de colada inyectadas a alta presión y forjadas son todavía objeto de intensas campañas de investigación. Es ahora necesario desarrollar modelos que contemplen la complejidad inherente de los procesos de deformación de éstos. Esta tesis doctoral constituye un intento de entender mejor la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico de aleaciones de Mg, y dará como resultado modelos de policristales capaces de predecir propiedades macro- y microscópicas. La deformación plástica de las aleaciones de Mg está gobernada por una combinación de mecanismos de deformación característicos de la estructura cristalina hexagonal, que incluye el deslizamiento cristalográfico en planos basales, prismáticos y piramidales, así como el maclado. Las aleaciones de Mg de forja presentan texturas fuertes y por tanto los mecanismos de deformación activos dependen de la orientación de la carga aplicada. En este trabajo se ha desarrollado un modelo de plasticidad cristalina por elementos finitos con el objetivo de entender el comportamiento macro- y micromecánico de la aleación de Mg laminada AZ31 (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). Este modelo, que incorpora el maclado y tiene en cuenta el endurecimiento por deformación debido a las interacciones dislocación-dislocación, dislocación-macla y macla-macla, predice exitosamente las actividades de los distintos mecanismos de deformación y la evolución de la textura con la deformación. Además, se ha llevado a cabo un estudio que combina difracción de electrones retrodispersados en tres dimensiones y modelización para investigar el efecto de los límites de grano en la propagación del maclado en el mismo material. Ambos, experimentos y simulaciones, confirman que el ángulo de desorientación tiene una influencia decisiva en la propagación del maclado. Se ha observado que los efectos no-Schmid, esto es, eventos de deformación plástica que no cumplen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada, no tienen lugar en la vecindad de los límites de baja desorientación y se hacen más frecuentes a medida que la desorientación aumenta. Esta investigación también prueba que la morfología de las maclas está altamente influenciada por su factor de Schmid. Es conocido que los procesos de colada suelen dar lugar a la formación de microestructuras con una microporosidad elevada, lo cuál afecta negativamente a sus propiedades mecánicas. La aplicación de presión hidrostática después de la colada puede reducir la porosidad y mejorar las propiedades aunque es poco conocido su efecto en el tamaño y morfología de los poros. En este trabajo se ha utilizado un enfoque mixto experimentalcomputacional, basado en tomografía de rayos X, análisis de imagen y análisis por elementos finitos, para la determinación de la distribución tridimensional (3D) de la porosidad y de la evolución de ésta con la presión hidrostática en la aleación de Mg AZ91 (Mg- 9wt.%Al-1wt.%Zn) colada por inyección a alta presión. La distribución real de los poros en 3D obtenida por tomografía se utilizó como input para las simulaciones por elementos finitos. Los resultados revelan que la aplicación de presión tiene una influencia significativa tanto en el cambio de volumen como en el cambio de forma de los poros que han sido cuantificados con precisión. Se ha observado que la reducción del tamaño de éstos está íntimamente ligada con su volumen inicial. En conclusión, el modelo de plasticidad cristalina propuesto en este trabajo describe con éxito los mecanismos intrínsecos de la deformación de las aleaciones de Mg a escalas meso- y microscópica. Más especificamente, es capaz de capturar las activadades del deslizamiento cristalográfico y maclado, sus interacciones, así como los efectos en la porosidad derivados de los procesos de colada. ---ABSTRACT--- The last few years have seen a growing effort to reduce CO2 emissions and their negative environmental impact. In the transport industry more specifically, vehicle weight reduction appears as the most straightforward option to achieve this objective. To this end, Mg alloys constitute a significant weight saving material alternative. Many efforts have been devoted over the last decade to understand the main mechanisms governing the plasticity of these materials and, despite being already widely used, high pressure die-casting and wrought Mg alloys are still the subject of intense research campaigns. Developing models that can contemplate the complexity inherent to the deformation of Mg alloys is now timely. This PhD thesis constitutes an attempt to better understand the relationship between the microstructure and the mechanical behavior of Mg alloys, as it will result in the design of polycrystalline models that successfully predict macro- and microscopic properties. Plastic deformation of Mg alloys is driven by a combination of deformation mechanisms specific to their hexagonal crystal structure, namely, basal, prismatic and pyramidal dislocation slip as well as twinning. Wrought Mg alloys present strong textures and thus specific deformation mechanisms are preferentially activated depending on the orientation of the applied load. In this work a crystal plasticity finite element model has been developed in order to understand the macro- and micromechanical behavior of a rolled Mg AZ31 alloy (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). The model includes twinning and accounts for slip-slip, slip-twin and twin-twin hardening interactions. Upon calibration and validation against experiments, the model successfully predicts the activity of the various deformation mechanisms and the evolution of the texture at different deformation stages. Furthermore, a combined three-dimensional electron backscatter diffraction and modeling approach has been adopted to investigate the effect of grain boundaries on twin propagation in the same material. Both experiments and simulations confirm that the misorientation angle has a critical influence on twin propagation. Non-Schmid effects, i.e. plastic deformation events that do not comply with the Schmid law with respect to the applied stress, are absent in the vicinity of low misorientation boundaries and become more abundant as misorientation angle increases. This research also proves that twin morphology is highly influenced by the Schmid factor. Finally, casting processes usually lead to the formation of significant amounts of gas and shrinkage microporosity, which adversely affect the mechanical properties. The application of hydrostatic pressure after casting can reduce the porosity and improve the properties but little is known about the effects on the casting’s pores size and morphology. In this work, an experimental-computational approach based on X-ray computed tomography, image analysis and finite element analysis is utilized for the determination of the 3D porosity distribution and its evolution with hydrostatic pressure in a high pressure diecast Mg AZ91 alloy (Mg-9wt.%Al-1wt.%Zn). The real 3D pore distribution obtained by tomography is used as input for the finite element simulations using an isotropic hardening law. The model is calibrated and validated against experimental stress-strain curves. The results reveal that the pressure treatment has a significant influence both on the volume and shape changes of individuals pores, which have been precisely quantified, and which are found to be related to the initial pore volume. In conclusion, the crystal plasticity model proposed in this work successfully describes the intrinsic deformation mechanisms of Mg alloys both at the mesoscale and the microscale. More specifically, it can capture slip and twin activities, their interactions, as well as the potential porosity effects arising from casting processes.

A computational model coupling mechanics and electrophysiology in spinal cord injury

Traumatic brain injury and spinal cord injury have recently been put under the spotlight as major causes of death and disability in the developed world. Despite the important ongoing experimental and modeling campaigns aimed at understanding the mechanics of tissue and cell damage typically observed in such events, the differentiated roles of strain, stress and their corresponding loading rates on the damage level itself remain unclear. More specifically, the direct relations between brain and spinal cord tissue or cell damage, and electrophysiological functions are still to be unraveled. Whereas mechanical modeling efforts are focusing mainly on stress distribution and mechanistic-based damage criteria, simulated function-based damage criteria are still missing. Here, we propose a new multiscale model of myelinated axon associating electrophysiological impairment to structural damage as a function of strain and strain rate. This multiscale approach provides a new framework for damage evaluation directly relating neuron mechanics and electrophysiological properties, thus providing a link between mechanical trauma and subsequent functional deficits

Disjoining pressure and the film-height-dependent surface tension of thin liquid films: New insight from capillary wave fluctuations

In this paper we review simulation and experimental studies of thermal capillary wave fluctuations as an ideal means for probing the underlying disjoining pressure and surface tensions, and more generally, fine details of the Interfacial Hamiltonian Model. We discuss recent simulation results that reveal a film-height-dependent surface tension not accounted for in the classical Interfacial Hamiltonian Model. We show how this observation may be explained bottom-up from sound principles of statistical thermodynamics and discuss some of its implications

Numerical issues in Lagrangian tracking and topological evolution of fluid particles in wallbounded turbulent flows

The determination of the local Lagrangian evolution of the flow topology in wall-bounded turbulence, and of the Lagrangian evolution associated with entrainment across the turbulent / non-turbulent interface into a turbulent boundary layer, require accurate tracking of a fluid particle and its local velocity gradients. This paper addresses the implementation of fluid-particle tracking in both a turbulent boundary layer direct numerical simulation and in a fully developed channel flow simulation. Determination of the sub-grid particle velocity is performed using both cubic B-spline, four-point Hermite spline and higher-order Hermite spline interpolation. Both wall-bounded flows show similar oscillations in the Lagrangian tracers of both velocity and velocity gradients, corresponding to the movement of particles across the boundaries of computational cells. While these oscillation in the particle velocity are relatively small and have negligible effect on the particle trajectories for time-steps of the order of CFL = 0.1, they appear to be the cause of significant oscillations in the evolution of the invariants of the velocity gradient tensor.

Fault management techniques for systems with SRAM-based FPGAs

Las Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) SRAM se construyen sobre una memoria de configuración de tecnología RAM Estática (SRAM). Presentan múltiples características que las hacen muy interesantes para diseñar sistemas empotrados complejos. En primer lugar presentan un coste no-recurrente de ingeniería (NRE) bajo, ya que los elementos lógicos y de enrutado están pre-implementados (el diseño de usuario define su conexionado). También, a diferencia de otras tecnologías de FPGA, pueden ser reconfiguradas (incluso en campo) un número ilimitado de veces. Es más, las FPGAs SRAM de Xilinx soportan Reconfiguración Parcial Dinámica (DPR), la cual permite reconfigurar la FPGA sin interrumpir la aplicación. Finalmente, presentan una alta densidad de lógica, una alta capacidad de procesamiento y un rico juego de macro-bloques. Sin embargo, un inconveniente de esta tecnología es su susceptibilidad a la radiación ionizante, la cual aumenta con el grado de integración (geometrías más pequeñas, menores tensiones y mayores frecuencias). Esta es una precupación de primer nivel para aplicaciones en entornos altamente radiativos y con requisitos de alta confiabilidad. Este fenómeno conlleva una degradación a largo plazo y también puede inducir fallos instantáneos, los cuales pueden ser reversibles o producir daños irreversibles. En las FPGAs SRAM, los fallos inducidos por radiación pueden aparecer en en dos capas de arquitectura diferentes, que están físicamente superpuestas en el dado de silicio. La Capa de Aplicación (o A-Layer) contiene el hardware definido por el usuario, y la Capa de Configuración contiene la memoria de configuración y la circuitería de soporte. Los fallos en cualquiera de estas capas pueden hacer fracasar el sistema, lo cual puede ser ás o menos tolerable dependiendo de los requisitos de confiabilidad del sistema. En el caso general, estos fallos deben gestionados de alguna manera. Esta tesis trata sobre la gestión de fallos en FPGAs SRAM a nivel de sistema, en el contexto de sistemas empotrados autónomos y confiables operando en un entorno radiativo. La tesis se centra principalmente en aplicaciones espaciales, pero los mismos principios pueden aplicarse a aplicaciones terrenas. Las principales diferencias entre ambas son el nivel de radiación y la posibilidad de mantenimiento. Las diferentes técnicas para la gestión de fallos en A-Layer y C-Layer son clasificados, y sus implicaciones en la confiabilidad del sistema son analizados. Se proponen varias arquitecturas tanto para Gestores de Fallos de una capa como de doble-capa. Para estos últimos se propone una arquitectura novedosa, flexible y versátil. Gestiona las dos capas concurrentemente de manera coordinada, y permite equilibrar el nivel de redundancia y la confiabilidad. Con el objeto de validar técnicas de gestión de fallos dinámicas, se desarrollan dos diferentes soluciones. La primera es un entorno de simulación para Gestores de Fallos de C-Layer, basado en SystemC como lenguaje de modelado y como simulador basado en eventos. Este entorno y su metodología asociada permite explorar el espacio de diseño del Gestor de Fallos, desacoplando su diseño del desarrollo de la FPGA objetivo. El entorno incluye modelos tanto para la C-Layer de la FPGA como para el Gestor de Fallos, los cuales pueden interactuar a diferentes niveles de abstracción (a nivel de configuration frames y a nivel físico JTAG o SelectMAP). El entorno es configurable, escalable y versátil, e incluye capacidades de inyección de fallos. Los resultados de simulación para algunos escenarios son presentados y comentados. La segunda es una plataforma de validación para Gestores de Fallos de FPGAs Xilinx Virtex. La plataforma hardware aloja tres Módulos de FPGA Xilinx Virtex-4 FX12 y dos Módulos de Unidad de Microcontrolador (MCUs) de 32-bits de propósito general. Los Módulos MCU permiten prototipar Gestores de Fallos de C-Layer y A-Layer basados en software. Cada Módulo FPGA implementa un enlace de A-Layer Ethernet (a través de un switch Ethernet) con uno de los Módulos MCU, y un enlace de C-Layer JTAG con el otro. Además, ambos Módulos MCU intercambian comandos y datos a través de un enlace interno tipo UART. Al igual que para el entorno de simulación, se incluyen capacidades de inyección de fallos. Los resultados de pruebas para algunos escenarios son también presentados y comentados. En resumen, esta tesis cubre el proceso completo desde la descripción de los fallos FPGAs SRAM inducidos por radiación, pasando por la identificación y clasificación de técnicas de gestión de fallos, y por la propuesta de arquitecturas de Gestores de Fallos, para finalmente validarlas por simulación y pruebas. El trabajo futuro está relacionado sobre todo con la implementación de Gestores de Fallos de Sistema endurecidos para radiación. ABSTRACT SRAM-based Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are built on Static RAM (SRAM) technology configuration memory. They present a number of features that make them very convenient for building complex embedded systems. First of all, they benefit from low Non-Recurrent Engineering (NRE) costs, as the logic and routing elements are pre-implemented (user design defines their connection). Also, as opposed to other FPGA technologies, they can be reconfigured (even in the field) an unlimited number of times. Moreover, Xilinx SRAM-based FPGAs feature Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to partially reconfigure the FPGA without disrupting de application. Finally, they feature a high logic density, high processing capability and a rich set of hard macros. However, one limitation of this technology is its susceptibility to ionizing radiation, which increases with technology scaling (smaller geometries, lower voltages and higher frequencies). This is a first order concern for applications in harsh radiation environments and requiring high dependability. Ionizing radiation leads to long term degradation as well as instantaneous faults, which can in turn be reversible or produce irreversible damage. In SRAM-based FPGAs, radiation-induced faults can appear at two architectural layers, which are physically overlaid on the silicon die. The Application Layer (or A-Layer) contains the user-defined hardware, and the Configuration Layer (or C-Layer) contains the (volatile) configuration memory and its support circuitry. Faults at either layers can imply a system failure, which may be more ore less tolerated depending on the dependability requirements. In the general case, such faults must be managed in some way. This thesis is about managing SRAM-based FPGA faults at system level, in the context of autonomous and dependable embedded systems operating in a radiative environment. The focus is mainly on space applications, but the same principles can be applied to ground applications. The main differences between them are the radiation level and the possibility for maintenance. The different techniques for A-Layer and C-Layer fault management are classified and their implications in system dependability are assessed. Several architectures are proposed, both for single-layer and dual-layer Fault Managers. For the latter, a novel, flexible and versatile architecture is proposed. It manages both layers concurrently in a coordinated way, and allows balancing redundancy level and dependability. For the purpose of validating dynamic fault management techniques, two different solutions are developed. The first one is a simulation framework for C-Layer Fault Managers, based on SystemC as modeling language and event-driven simulator. This framework and its associated methodology allows exploring the Fault Manager design space, decoupling its design from the target FPGA development. The framework includes models for both the FPGA C-Layer and for the Fault Manager, which can interact at different abstraction levels (at configuration frame level and at JTAG or SelectMAP physical level). The framework is configurable, scalable and versatile, and includes fault injection capabilities. Simulation results for some scenarios are presented and discussed. The second one is a validation platform for Xilinx Virtex FPGA Fault Managers. The platform hosts three Xilinx Virtex-4 FX12 FPGA Modules and two general-purpose 32-bit Microcontroller Unit (MCU) Modules. The MCU Modules allow prototyping software-based CLayer and A-Layer Fault Managers. Each FPGA Module implements one A-Layer Ethernet link (through an Ethernet switch) with one of the MCU Modules, and one C-Layer JTAG link with the other. In addition, both MCU Modules exchange commands and data over an internal UART link. Similarly to the simulation framework, fault injection capabilities are implemented. Test results for some scenarios are also presented and discussed. In summary, this thesis covers the whole process from describing the problem of radiationinduced faults in SRAM-based FPGAs, then identifying and classifying fault management techniques, then proposing Fault Manager architectures and finally validating them by simulation and test. The proposed future work is mainly related to the implementation of radiation-hardened System Fault Managers.

Metodología de Diseño y Análisis de Sistemas Teleoperados Considerando Dinámica No Lineal

Cuando la separación física entre el sistema local y remoto es relativamente corta, el retardo no es perceptible; sin embargo, cuando el manipulador local y el manipulador remoto se encuentran a una distancia lejana uno del otro, el retardo de tiempo ya no es insignificante e influye negativamente en la realización de la tarea. El retardo de tiempo en un sistema de control introduce un atraso de fase que a su vez degrada el rendimiento del sistema y puede causar inestabilidad. Los sistemas de teleoperación pueden sacar provecho de la posibilidad de estar presente en dos lugares simultáneamente, sin embargo, el uso de Internet y otras redes de conmutación de paquetes, tales como Internet2, impone retardos de tiempo variables, haciendo que los esquemas de control ya establecidos elaboren soluciones para hacer frente a inestabilidades causadas por estos retardos de tiempo variables. En este trabajo de tesis se presenta el modelado y análisis de un sistema de teloperación bilateral no lineal de n grados de libertad controlado por convergencia de estado. La comunicación entre el sitio local y remoto se realiza mediante un canal de comunicación con retardo de tiempo. El análisis presentado en este trabajo considera que el retardo puede ser constante o variable. Los principales objetivos de este trabajo son; 1) Desarrollar una arquitectura de control no lineal garantizando la estabilidad del sistema teleoperado, 2) Evaluar la estabilidad del sistema considerando el retardo en la comunicación, y 3) Implementación de los algoritmos desarrollados para probar el desempeño de los mismos en un sistema experimental de 3 grados de libertad. A través de la teoría de Estabilidad de Lyapunov y el funcional Lyapunov-Krasovskii, se demuestra que el sistema de lazo cerrado es asintóticamente estable. Estas conclusiones de estabilidad se han obtenido mediante la integración de la función de Lyapunov y aplicando el Lema de Barbalat. Se demuestra también que se logra sincronizar las posiciones del manipulador local y remoto cuando el operador humano no mueve el manipulador local y el manipulador remoto se mueve libremente. El esquema de control propuesto se ha validado mediante simulación y en forma experimental empleando un sistema de teleoperación real desarrollado en esta tesis doctoral y que consta de un un manipulador serie planar de tres grados de libertad, un manipulador local, PHANTOM Omni, el cual es un dispositivo haptico fabricado que consta de 3 grados de libertad (en fuerza) y que proporciona realimentación de fuerza en los ejes x,y,z. El control en tiempo real se ha diseñado usando el Sistema Operativo en Tiempo Real QuaRC de QUARC en el lado local y el Simulink Real-Time Windows TargetTM en el lado remoto. Para finalizar el resumen se destaca el impacto de esta tesis en el mundo científico a través de los resultados publicados: 2 artículos en revistas con índice de impacto , 1 artículo en una revista indexada en Sistemas, Cibernética e Informática, 7 artículos en congresos y ha obtenido un premio en la 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010. ABSTRACT When the physical separation between the local and remote system is relatively short, the delay is not noticeable; however, when the local manipulator and the remote manipulator are at a far distance from each other, the time delay is no longer negligible and negatively influences the performance of the task. The time delay in a control system introduces a phase delay which in turn degrades the system performance and cause instability. Teleoperation systems can benefit from the ability to be in two places simultaneously, however, the use of Internet and other packet switched networks, such as Internet2, imposes varying time delays, making established control schemes to develop solutions to address these instabilities caused by different time delays. In this thesis work we present a modeling and analysis of a nonlinear bilateral teloperation system of n degrees of freedom controlled by state convergence strategy. Communication between the local and remote site is via a communication channel with time delay. The analysis presented in this work considers that the time-delay can be constant or variable. The main objectives of this work are; 1) Develop a nonlinear control schemes to ensure the stability of the teleoperated system, 2) Evaluate the system stability considering the delay in communication, and 3) Implementation of algorithms developed to test the performance of the teleoperation system in an experimental system of 3 degrees of freedom. Through the Theory of Stability of Lyapunov and the functional Lyapunov-Krasovskii, one demonstrates that the closed loop system is asymptotically stable.. The conclusions about stability were obtained by integration of the Lyapunov function and applying Barbalat Lemma. It further shows that the positions of the local and remote manipulator are synchronize when the human operator stops applying a constant force and the remote manipulator does not interact with the environment. The proposed control scheme has been validated by means of simulation and in experimental form using a developed system of real teleoperation in this doctoral thesis, which consists of a series planar manipulator of three degrees of freedom, a local manipulator, PHANTOM Omni, which is an haptic device that consists of 3 degrees of freedom (in force) and that provide feeback force in x-axis, and, z. The control in real time has been designed using the Operating system in Real time QuaRC of Quanser in the local side and the Simulink Real-Time Windows Target in the remote side. In order to finalize the summary, the highlights impact of this thesis in the scientific world are shows through the published results: 2 articles in Journals with impact factor, one article in a indexed Journal on Systemics, Cybernetics and Informatics, 7 articles in Conferences and has won an award in 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010.

Detecting, Localizing and Following Dynamic Objects with a Mini-UAV

This paper presents an approach for the detection, localization and following of dynamic terrestrial objects using a mini-UAV. The development is intended to be used for surveillance of large infrastructures. The detection algorithm is based on finding several pre-defined characteristics of the target, such as color, shape and size. The process used to localize the target, once it is detected, is based on an inversion of the Pinhole camera model. The task of following the Summit XL was designed to keep the target inside the field of view of the camera, and it was implemented in the form of a PID controller. The system has been tested both in simulation and with real robots, showing promising results.