On the application of meshfree methods to the nonlinear dynamics of multibody systems

Esta tesis propone una completa formulación termo-mecánica para la simulación no-lineal de mecanismos flexibles basada en métodos libres de malla. El enfoque se basa en tres pilares principales: la formulación de Lagrangiano total para medios continuos, la discretización de Bubnov-Galerkin, y las funciones de forma libres de malla. Los métodos sin malla se caracterizan por la definición de un conjunto de funciones de forma en dominios solapados, junto con una malla de integración de las ecuaciones discretas de balance. Dos tipos de funciones de forma se han seleccionado como representación de las familias interpolantes (Funciones de Base Radial) y aproximantes (Mínimos Cuadrados Móviles). Su formulación se ha adaptado haciendo sus parámetros compatibles, y su ausencia de conectividad predefinida se ha aprovechado para interconectar múltiples dominios de manera automática, permitiendo el uso de mallas de fondo no conformes. Se propone una formulación generalizada de restricciones, juntas y contactos, válida para sólidos rígidos y flexibles, siendo estos últimos discretizados mediante elementos finitos (MEF) o libres de malla. La mayor ventaja de este enfoque reside en que independiza completamente el dominio con respecto de las uniones y acciones externas a cada sólido, permitiendo su definición incluso fuera del contorno. Al mismo tiempo, también se minimiza el número de ecuaciones de restricción necesarias para la definición de uniones realistas. Las diversas validaciones, ejemplos y comparaciones detalladas muestran como el enfoque propuesto es genérico y extensible a un gran número de sistemas. En concreto, las comparaciones con el MEF indican una importante reducción del error para igual número de nodos, tanto en simulaciones mecánicas, como térmicas y termo-mecánicas acopladas. A igualdad de error, la eficiencia numérica de los métodos libres de malla es mayor que la del MEF cuanto más grosera es la discretización. Finalmente, la formulación se aplica a un problema de diseño real sobre el mantenimiento de estructuras masivas en el interior de un reactor de fusión, demostrando su viabilidad en análisis de problemas reales, y a su vez mostrando su potencial para su uso en simulación en tiempo real de sistemas no-lineales. A new complete formulation is proposed for the simulation of nonlinear dynamic of multibody systems with thermo-mechanical behaviour. The approach is founded in three main pillars: total Lagrangian formulation, Bubnov-Galerkin discretization, and meshfree shape functions. Meshfree methods are characterized by the definition of a set of shape functions in overlapping domains, and a background grid for integration of the Galerkin discrete equations. Two different types of shape functions have been chosen as representatives of interpolation (Radial Basis Functions), and approximation (Moving Least Squares) families. Their formulation has been adapted to use compatible parameters, and their lack of predefined connectivity is used to interconnect different domains seamlessly, allowing the use of non-conforming meshes. A generalized formulation for constraints, joints, and contacts is proposed, which is valid for rigid and flexible solids, being the later discretized using either finite elements (FEM) or meshfree methods. The greatest advantage of this approach is that makes the domain completely independent of the external links and actions, allowing to even define them outside of the boundary. At the same time, the number of constraint equations needed for defining realistic joints is minimized. Validation, examples, and benchmarks are provided for the proposed formulation, demonstrating that the approach is generic and extensible to further problems. Comparisons with FEM show a much lower error for the same number of nodes, both for mechanical and thermal analyses. The numerical efficiency is also better when coarse discretizations are used. A final demonstration to a real problem for handling massive structures inside of a fusion reactor is presented. It demonstrates that the application of meshfree methods is feasible and can provide an advantage towards the definition of nonlinear real-time simulation models.

El modelo constructivo: la influencia de la técnica en la teoría de la arquitectura (1840-1899)

La hipótesis de partida de esta tesis es que existe una influencia directa entre la técnica que se desarrolla durante el segundo período del s. XIX y el cambio sustancial de los conceptos y de la teoría arquitectónica que se da en esos mismos años. Dicha influencia genera nuevos modelos constructivos que serán la base de la arquitectura moderna. Para llegar a la confirmación de la hipótesis, se han planteado tres objetivos principales que responden a los tres capítulos principales de la misma. En primera instancia, se establecen las condiciones teóricas del debate arquitectónico entre las fechas estudiadas. Se analiza el concepto de modelo y «estilo» para evaluar si, efectivamente, hubo cambio o no. También se analizará si los arquitectos eran conscientes de la necesidad de una nueva arquitectura que respondiese a la funcionalidad que el progreso requería. Para comprobar que dicho cambio se ha producido a todos los niveles hasta el punto de redefinir el modelo constructivo se escoge un ejemplo práctico que cumpla las condiciones necesarias para sustentar o no la tesis y se investiga sobre si sucede o no el cambio. A continuación, se analizará la situación de la técnica y de los avances tecnológicos en el período estudiado. Es importante contrastar que realmente hay un conocimiento y una conciencia verdadera de cambio entre los teóricos y los arquitectos que están construyendo en ese momento. Confirmar que dicha conexión existe es vital para la investigación; para eso, se analizará y se profundizará en las conexiones entre la arquitectura y la ingeniería (o los avances tecnológicos) para entender la implicación de uno con el otro. Con este fin, se han estudiado las distintas publicaciones periódicas de la época; sobre todo la más relevante y la que primero se editó, que fue La revue générale de l’architecture; me he apoyado en ella. Es un documento que mensualmente recoge cambios, avances y debates. Tuvo una grandísima divulgación; todo docente, arquitecto e ingeniero de la época tenía un acceso fácil y directo a dicha publicación. Por último, a raíz de una construcción ideal proyectada por uno de los grandes arquitectos teóricos de la época, se reflexiona sobre si esa arquitectura supone realmente una comprensión y una conciencia de los nuevos modelos arquitectónicos, definidos por una técnica en progreso, o si responde exclusivamente a una utopía arquitectónica como tantas otras se habían esbozado con anterioridad por grandes teóricos. Para poder definir la geometría de este elemento estructural, se ha realizado un modelado tridimensional que permite calcular la estructura a través de un proceso de elementos finitos. El propósito de este cálculo no es exclusivamente saber si la estructura era viable o no en aquella época, sino también comprender si la definición de estos originales elementos estructurales implicaba una concepción nueva de las estructuras tridimensionales y eso significa que empezaba a germinar un cambio sustancial en la teoría de la arquitectura, con la búsqueda de un nuevo modelo constructivo derivado de los avances técnicos. De este modo queda demostrado que el modelo constructivo ha cambiado definitivamente por un modelo mucho más versátil y sobre todo con una gran capacidad de adaptación, esto combinado a su vez con una proliferación de patentes que intentan y buscan una estandarización del modelo constructivo y que no son, en ningún caso, un modelo en sí. Como última conclusión, queda argumentado que en aquella época ya se tenía una gran intuición estructural; a pesar de que el cálculo matemático era todavía algo relativamente nuevo, se manejaban de forma instintiva líneas de cargas, combinación de materiales y nuevas formas, que ayudarán a crear los modelos de los próximos años y que serán la base del cálculo numérico posterior. ABSTRACT The hypothesis of this thesis is that there is a direct influence between the technique developed during the second period of the XIX century and the substantial change in the concepts and in the architectural theory that occurs in those years. This influence develops new building models that will be the basis of modern architecture. To confirm this hypothesis, we present three principal objectives that corresponds to the three principals chapsters of the text. First, we establish the theoretical conditions of the architectural debate between the dates studied. We analyze the concepts of model and “style” to assess whether there was a change or not. We consider as well if architects were aware of the need for a new architecture to respond to the functionality needs that progress demanded. To verify that the change occurred at all levels to the extent of redefining the building model we choose a practical example that fulfills the necessary conditions to support or not the thesis and we investigate whether or not the change happens. Next, we analyze the status of technical and technological advances in the study period of study. It is important to contrast that there is a real knowledge and awareness of change between the theorists and architects who are building at the time. Confirming that that connection exists is vital for the research; for that, we will analyze and deepen into the connections between architecture and engineering (or technological progress) to understand the implication of one into the other. To this end, we have studied various publications of the time; especially the most relevant and the first published, La Revue générale de l’architecture; I have relied on it. This is a monthly document that includes changes, developments and debates. It had a very great disclosure; every teacher, architect and engineer of the time had a direct and easy access to this publication. Finally, following theoretical ideal construction projected by one of the great architects of the time, we reflect on whether that architecture really represents an understanding and awareness of the new architectural models defined by a technique in progress, or if it only responds to an architectural utopia as the ones outlined earlier by the great theorists. To be able to define the geometry of this structural item, we have carried out a three-dimensional modeling that enables us to calculate the structure through a process of finite elements. The purpose of this calculation is not exclusively understanding whether the structure was viable or not at the time, but also understanding if the definition of these original structural elements involved a new concept of three-dimensional structures and if that involved the beginning of a substantial change in theory of architecture, with the search for a new construction model derived from technical advances. In this way it is demonstrated that the building model has definitely changed for a much more versatile one and above all with a high adaptation capacity, this combined in turn with a proliferation of patents that try and seek a standardization of the building model and are not, in any case, a model in itself. As a final conclusion, it is argued that at the time a major structural intuition was present; even though the math calculation was still relatively new, in an instinctively way load lines, combination of materials and new forms were taken into account, that will help to create models in the coming years and which will form the basis of subsequent numerical calculation.

Modelización de la respuesta de elementos estructurales lineales de vidrio plano : vigas y pilares pretensados

El vidrio se trata de un material muy apreciado en la arquitectura debido a la transparencia, característica que pocos materiales tienen. Pero, también es un material frágil, con una rotura inmediata cuando alcanza su límite elástico, sin disponer de un período plástico, que advierta de su futura rotura y permita un margen de seguridad. Por ambas razones, el vidrio se ha utilizado en arquitectura como elemento de plementería o relleno, desde tiempos antiguos, pero no como elemento estructural o portante, pese a que es un material interesante para los arquitectos para ese uso, por su característica de transparencia, ya que conseguiría la desmaterialización visual de la estructura, logrando espacios más ligeros y livianos. En cambio, si se tienen en cuenta las propiedades mecánicas del material se puede comprobar que dispone de unas características apropiadas para su uso estructural, ya que su Módulo elástico es similar al del aluminio, elemento muy utilizado en la arquitectura principalmente en las fachadas desde los últimos años, y su resistencia a compresión es muy superior incluso al hormigón armado; aunque su principal problema es su resistencia a tracción que es muy inferior a su resistencia a compresión, lo que penaliza su resistencia a flexión. En la actualidad se empieza a utilizar el vidrio como elemento portante o estructural, pero debido a su peor resistencia a flexión, se utilizan con grandes dimensiones que, a pesar de su transparencia, tienen una gran presencia. Por ello, la presente investigación pretende conseguir una reducción de las secciones de estos elementos estructurales de vidrio. Entonces, para el desarrollo de la investigación es necesario responder a una serie de preguntas fundamentales, cuyas respuestas serán el cuerpo de la investigación: 1. ¿Cuál es la finalidad de la investigación? El objetivo de esta investigación es la optimización de elementos estructurales de vidrio para su utilización en arquitectura. 2. ¿Cómo se va a realizar esa optimización? ¿Qué sistemas se van a utilizar? El sistema para realizar la optimización será la pretensión de los elementos estructurales de vidrio 3. ¿Por qué se va a utilizar la precompresión? Porque el vidrio tiene un buen comportamiento a compresión y un mal comportamiento a tracción lo que penaliza su utilización a flexión. Por medio de la precompresión se puede incrementar esta resistencia a tracción, ya que los primeros esfuerzos reducirán la compresión inicial hasta comenzar a funcionar a tracción, y por tanto aumentará su capacidad de carga. 4. ¿Con qué medios se va a comprobar y justificar ese comportamiento? Mediante simulaciones informáticas con programas de elementos finitos. 5. ¿Por qué se utilizará este método? Porque es una herramienta que arroja ventajas sobre otros métodos como los experimentales, debido a su fiabilidad, economía, rapidez y facilidad para establecer distintos casos. 6. ¿Cómo se garantiza su fiabilidad? Mediante el contraste de resultados obtenidos con ensayos físicos realizados, garantizando de ésta manera el buen comportamiento de los programas utilizados. El presente estudio tratará de responder a todas estas preguntas, para concluir y conseguir elementos estructurales de vidrio con secciones más reducidas gracias a la introducción de la precompresión, todo ello a través de las simulaciones informáticas por medio de elementos finitos. Dentro de estas simulaciones, también se realizarán comprobaciones y comparaciones entre distintas tipologías de programas para comprobar y contrastar los resultados obtenidos, intentando analizar cuál de ellos es el más idóneo para la simulación de elementos estructurales de vidrio. ABSTRACT Glass is a material very appreciated in architecture due to its transparency, feature that just a few materials share. But it is also a brittle material with an immediate breakage when it reaches its elastic limit, without having a plastic period that provides warning of future breakage allowing a safety period. For both reasons, glass has been used in architecture as infill panels, from old times. However, it has never been used as a structural or load‐bearing element, although it is an interesting material for architects for that use: because of its transparency, structural glass makes possible the visual dematerialization of the structure, achieving lighter spaces. However, taking into account the mechanical properties of the material, it is possible to check that it has appropriate conditions for structural use: its elastic modulus is similar to that of aluminium, element widely used in architecture, especially in facades from recent years; and its compressive strength is much higher than even the one of concrete. However, its main problem consists in its tensile strength that is much lower than its compressive strength, penalizing its resistance to bending. Nowadays glass is starting to be used as a bearing or structural element, but due to its worse bending strength, elements with large dimensions must be used, with a large presence despite its transparency. Therefore this research aims to get smaller sections of these structural glass elements. For the development of this thesis, it is necessary to answer a number of fundamental questions. The answers will be the core of this work: 1. What is the purpose of the investigation? The objective of this research is the optimization of structural glass elements for its use in architecture. 2. How are you going to perform this optimization? What systems will be implemented? The system for optimization is the pre‐stress of the structural elements of glass 3. Why are you going to use the pre‐compression? Because glass has a good resistance to compression and a poor tensile behaviour, which penalizes its use in bending elements. Through the pre‐compression it is possible to increase this tensile strength, due to the initial tensile efforts reducing the pre‐stress and increasing its load capacity. 4. What are the means that you will use in order to verify and justify this behaviour? The means are based on computer simulations with finite element programs (FEM) 5. Why do you use this method? Because it is a tool which gives advantages over other methods such as experimental: its reliability, economy, quick and easy to set different cases. 6. How the reliability is guaranteed? It’s guaranteed comparing the results of the simulation with the performed physical tests, ensuring the good performance of the software. This thesis will attempt to answer all these questions, to obtain glass structural elements with smaller sections thanks to the introduction of the pre‐compression, all through computer simulations using finite elements methods. In these simulations, tests and comparisons between different types of programs will also be implemented, in order to test and compare the obtained results, trying to analyse which one is the most suitable for the simulation of structural glass elements.

Passenger Exposure to Magnetic Fields due to the Batteries of an Electric Vehicle

In electric vehicles, passengers sit very close to an electric system of significant power. The high currents achieved in these vehicles mean that the passengers could be exposed to significant magnetic fields. One of the electric devices present in the power train are the batteries. In this paper, a methodology to evaluate the magnetic field created by these batteries is presented. First, the magnetic field generated by a single battery is analyzed using finite elements simulations. Results are compared to laboratory measurements, taken from a real battery, in order to validate the model. After this, the magnetic field created by a complete battery pack is estimated and results are discussed.

Numerical analysis of axisymmetric shells by one-dimensional continuum elements suitable for high frequency excitations

Axisymmetric shells are analyzed by means of one-dimensional continuum elements by using the analogy between the bending of shells and the bending of beams on elastic foundation. The mathematical model is formulated in the frequency domain. Because the solution of the governing equations of vibration of beams are exact, the spatial discretization only depends on geometrical or material considerations. For some kind of situations, for example, for high frequency excitations, this approach may be more convenient than other conventional ones such as the finite element method.

SERBA: a B.I.E. program with linear elements for 2-D elastostatics analysis

The great developments that have occurred during the last few years in the finite element method and its applications has kept hidden other options for computation. The boundary integral element method now appears as a valid alternative and, in certain cases, has significant advantages. This method deals only with the boundary of the domain, while the F.E.M. analyses the whole domain. This has the following advantages: the dimensions of the problem to be studied are reduced by one, consequently simplifying the system of equations and preparation of input data. It is also possible to analyse infinite domains without discretization errors. These simplifications have the drawbacks of having to solve a full and non-symmetric matrix and some difficulties are incurred in the imposition of boundary conditions when complicated variations of the function over the boundary are assumed. In this paper a practical treatment of these problems, in particular boundary conditions imposition, has been carried out using the computer program shown below. Program SERBA solves general elastostatics problems in 2-dimensional continua using the boundary integral equation method. The boundary of the domain is discretized by line or elements over which the functions are assumed to vary linearly. Data (stresses and/or displacements) are introduced in the local co-ordinate system (element co-ordinates). Resulting stresses are obtained in local co-ordinates and displacements in a general system. The program has been written in Fortran ASCII and implemented on a 1108 Univac Computer. For 100 elements the core requirements are about 40 Kwords. Also available is a Fortran IV version (3 segments)implemented on a 21 MX Hewlett-Packard computer,using 15 Kwords.

Analysis of plate bending by means of high order finite hyperelements

The possibilities and limitations of high order hyperelements in plate bending analysis are discussed. Explicit shape functions for some types of triangular elements are given. These elements are applied to simple cases to assess their computational efficiency.