Multiscale modeling of the plastic behaviour in single crystal tungsten: from atomistic to crystal plasticity simulations

En una planta de fusión, los materiales en contacto con el plasma así como los materiales de primera pared experimentan condiciones particularmente hostiles al estar expuestos a altos flujos de partículas, neutrones y grandes cargas térmicas. Como consecuencia de estas diferentes y complejas condiciones de trabajo, el estudio, desarrollo y diseño de estos materiales es uno de los más importantes retos que ha surgido en los últimos años para la comunidad científica en el campo de los materiales y la energía. Debido a su baja tasa de erosión, alta resistencia al sputtering, alta conductividad térmica, muy alto punto de fusión y baja retención de tritio, el tungsteno (wolframio) es un importante candidato como material de primera pared y como posible material estructural avanzado en fusión por confinamiento magnético e inercial. Sin embargo, el tiempo de vida del tungsteno viene controlado por diversos factores como son su respuesta termo-mecánica en la superficie, la posibilidad de fusión y el fallo por acumulación de helio. Es por ello que el tiempo de vida limitado por la respuesta mecánica del tungsteno (W), y en particular su fragilidad, sean dos importantes aspectos que tienes que ser investigados. El comportamiento plástico en materiales refractarios con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (bcc) como el tungsteno está gobernado por las dislocaciones de tipo tornillo a escala atómica y por conjuntos e interacciones de dislocaciones a escalas más grandes. El modelado de este complejo comportamiento requiere la aplicación de métodos capaces de resolver de forma rigurosa cada una de las escalas. El trabajo que se presenta en esta tesis propone un modelado multiescala que es capaz de dar respuestas ingenieriles a las solicitudes técnicas del tungsteno, y que a su vez está apoyado por la rigurosa física subyacente a extensas simulaciones atomísticas. En primer lugar, las propiedades estáticas y dinámicas de las dislocaciones de tipo tornillo en cinco potenciales interatómicos de tungsteno son comparadas, determinando cuáles de ellos garantizan una mayor fidelidad física y eficiencia computacional. Las grandes tasas de deformación asociadas a las técnicas de dinámica molecular hacen que las funciones de movilidad de las dislocaciones obtenidas no puedan ser utilizadas en los siguientes pasos del modelado multiescala. En este trabajo, proponemos dos métodos alternativos para obtener las funciones de movilidad de las dislocaciones: un modelo Monte Cario cinético y expresiones analíticas. El conjunto de parámetros necesarios para formular el modelo de Monte Cario cinético y la ley de movilidad analítica son calculados atomísticamente. Estos parámetros incluyen, pero no se limitan a: la determinación de las entalpias y energías de formación de las parejas de escalones que forman las dislocaciones, la parametrización de los efectos de no Schmid característicos en materiales bcc,etc. Conociendo la ley de movilidad de las dislocaciones en función del esfuerzo aplicado y la temperatura, se introduce esta relación como ecuación de flujo dentro de un modelo de plasticidad cristalina. La predicción del modelo sobre la dependencia del límite de fluencia con la temperatura es validada experimentalmente con ensayos uniaxiales en tungsteno monocristalino. A continuación, se calcula el límite de fluencia al aplicar ensayos uniaxiales de tensión para un conjunto de orientaciones cristalográticas dentro del triángulo estándar variando la tasa de deformación y la temperatura de los ensayos. Finalmente, y con el objetivo de ser capaces de predecir una respuesta más dúctil del tungsteno para una variedad de estados de carga, se realizan ensayos biaxiales de tensión sobre algunas de las orientaciones cristalográficas ya estudiadas en función de la temperatura.-------------------------------------------------------------------------ABSTRACT ----------------------------------------------------------Tungsten and tungsten alloys are being considered as leading candidates for structural and functional materials in future fusion energy devices. The most attractive properties of tungsten for the design of magnetic and inertial fusion energy reactors are its high melting point, high thermal conductivity, low sputtering yield and low longterm disposal radioactive footprint. However, tungsten also presents a very low fracture toughness, mostly associated with inter-granular failure and bulk plasticity, that limits its applications. As a result of these various and complex conditions of work, the study, development and design of these materials is one of the most important challenges that have emerged in recent years to the scientific community in the field of materials for energy applications. The plastic behavior of body-centered cubic (bcc) refractory metals like tungsten is governed by the kink-pair mediated thermally activated motion of h¿ (\1 11)i screw dislocations on the atomistic scale and by ensembles and interactions of dislocations at larger scales. Modeling this complex behavior requires the application of methods capable of resolving rigorously each relevant scale. The work presented in this thesis proposes a multiscale model approach that gives engineering-level responses to the technical specifications required for the use of tungsten in fusion energy reactors, and it is also supported by the rigorous underlying physics of extensive atomistic simulations. First, the static and dynamic properties of screw dislocations in five interatomic potentials for tungsten are compared, determining which of these ensure greater physical fidelity and computational efficiency. The large strain rates associated with molecular dynamics techniques make the dislocation mobility functions obtained not suitable to be used in the next steps of the multiscale model. Therefore, it is necessary to employ mobility laws obtained from a different method. In this work, we suggest two alternative methods to get the dislocation mobility functions: a kinetic Monte Carlo model and analytical expressions. The set of parameters needed to formulate the kinetic Monte Carlo model and the analytical mobility law are calculated atomistically. These parameters include, but are not limited to: enthalpy and energy barriers of kink-pairs as a function of the stress, width of the kink-pairs, non-Schmid effects ( both twinning-antitwinning asymmetry and non-glide stresses), etc. The function relating dislocation velocity with applied stress and temperature is used as the main source of constitutive information into a dislocation-based crystal plasticity framework. We validate the dependence of the yield strength with the temperature predicted by the model against existing experimental data of tensile tests in singlecrystal tungsten, with excellent agreement between the simulations and the measured data. We then extend the model to a number of crystallographic orientations uniformly distributed in the standard triangle and study the effects of temperature and strain rate. Finally, we perform biaxial tensile tests and provide the yield surface as a function of the temperature for some of the crystallographic orientations explored in the uniaxial tensile tests.

Ajuste del modelo de Drucker Prager extendido para la simulación de la respuesta mecánica de un vertisol mediante el método de elementos finitos

La mecanización de las labores del suelo es la causa, por su consumo energético e impacto directo sobre el medio ambiente, que más afecta a la degradación y pérdida de productividad de los suelos. Entre los factores de disminución de la productividad se deben considerar la compactación, la erosión, el encostramiento y la pérdida de estructura. Todo esto obliga a cuidar el manejo agrícola de los suelos tratando de mejorar las condiciones del suelo y elevar sus rendimientos sin comprometer aspectos económicos, ecológicos y ambientales. En el presente trabajo se adecuan los parámetros constitutivos del modelo de Drucker Prager Extendido (DPE) que definen la fricción y la dilatancia del suelo en la fase de deformación plástica, para minimizar los errores en las predicciones durante la simulación de la respuesta mecánica de un Vertisol mediante el Método de Elementos Finitos. Para lo cual inicialmente se analizaron las bases teóricas que soportan este modelo, se determinaron las propiedades y parámetros físico-mecánicos del suelo requeridos como datos de entrada por el modelo, se determinó la exactitud de este modelo en las predicciones de la respuesta mecánica del suelo, se estimaron mediante el método de aproximación de funciones de Levenberg-Marquardt los parámetros constitutivos que definen la trayectoria de la curva esfuerzo-deformación plástica. Finalmente se comprobó la exactitud de las predicciones a partir de las adecuaciones realizadas al modelo. Los resultados permitieron determinar las propiedades y parámetros del suelo, requeridos como datos de entrada por el modelo, mostrando que su magnitud está en función su estado de humedad y densidad, además se obtuvieron los modelos empíricos de estas relaciones exhibiendo un R2>94%. Se definieron las variables que provocan las inexactitudes del modelo constitutivo (ángulo de fricción y dilatancia), mostrando que las mismas están relacionadas con la etapa de falla y deformación plástica. Finalmente se estimaron los valores óptimos de estos ángulos, disminuyendo los errores en las predicciones del modelo DPE por debajo del 4,35% haciéndelo adecuado para la simulación de la respuesta mecánica del suelo investigado. ABSTRACT The mechanization using farming techniques is one of the main factors that affects the most the soil, causing its degradation and loss of productivity, because of its energy consumption and direct impact on the environment. Compaction, erosion, crusting and loss of structure should be considered among the factors that decrease productivity. All this forces the necessity to take care of the agricultural-land management trying to improve soil conditions and increase yields without compromising economic, ecological and environmental aspects. The present study was aimed to adjust the parameters of the Drucker-Prager Extended Model (DPE), defining friction and dilation of soil in plastic deformation phase, in order to minimize the error of prediction when simulating the mechanical response of a Vertisol through the fine element method. First of all the theoretic fundamentals that withstand the model were analyzed. The properties and physical-mechanical parameters of the soil needed as input data to initialize the model, were established. And the precision of the predictions for the mechanical response of the soil was assessed. Then the constitutive parameters which define the path of the plastic stress-strain curve were estimated through Levenberg-Marquardt method of function approximations. Lastly the accuracy of the predictions from the adequacies made to the model was tested. The results permitted to determine those properties and parameters of the soil, needed in order to initialize the model. It showed that their magnitude is in function of density and humidity. Moreover, the empirical models from these relations were obtained: R2>94%. The variables producing inaccuracies in the constitutive model (angle of repose and dilation) were defined, and there was showed that they are linked with the plastic deformation and rupture point. Finally the optimal values of these angles were established, obtaining thereafter error values for the DPE model under 4, 35%, and making it suitable for the simulation of the mechanical response of the soil under study.

Dinámica del uso del suelo y abastecimiento hídrico : implicaciones para la seguridad del agua en comunidades rurales en el Pacífico sur de Costa Rica.

En los países en desarrollo una de las prioridades que deben abordarse es la correcta gestión de los recursos hídricos que se ve amenazada por muchos factores, incluyendo el cambio rápido del uso del suelo, el cambio climático y, a menudo, la mala gestión. En este contexto se analiza la Cuenca Grande del rio Térraba en Costa Rica evaluando el cambio de uso del suelo desde 1986 a 2014 y, en particular, la evolución del conflicto de uso del suelo con respecto a su capacidad. Los cambios de uso del suelo pueden generar impactos relevantes tanto en la calidad del agua, como en los regíme-nes de caudales afectando a procesos esenciales, como la capacidad de retención de agua en el sue-lo, la escorrentía y la erosión. Para hacer frente a estos y otros impactos, el Ministerio de Salud de Costa Rica está desarrollando Planes de Seguridad del Agua (PSA) con una metodología propuesta por la OMS, promoviendo su adopción por todas las instituciones gestoras de agua para el consumo humano. A partir de las conclusiones del primer bloque, se elabora un PSA aplicado a un acueducto local que tiene problemas comunes a muchos de los sistemas de distribución rurales del Pacífico Sur de Costa Rica. En el marco de esta formulación se fortalece la institución gestora comunitaria (ASADA de Uvita y Bahía) y se evalúan las deficiencias que identificadas en este proceso, propo-niendo medidas correctivas. En el tercer bloque, profundizando en las medidas adoptadas para la seguridad del agua, se apoya a un segundo ente de distribución de agua (ASADA de Palmar Sur) con el diseño y proyecto de un sistema de desinfección para garantizar la seguridad contra la con-taminación bacteriana. Se evalúan diferentes alternativas y se selecciona la mejor tecnología adap-tada a las necesidades específicas de la ASADA mediante la evaluación de los recursos económicos y humanos potenciales del mismo ente.

Metodología de integración de actividades de adaptación al cambio climático en proyectos de desarrollo rural

Hoy en día, ya no se puede pasar por alto la necesidad de una agricultura climáticamente más inteligente para los 500 millones de pequeños agricultores del mundo (Wheeler, 2013). Estos representan aproximadamente el 60 % de la agricultura mundial y proporcionan hasta el 80 % de los alimentos en los países en vías de desarrollo, los pequeños agricultores gestionan vastas extensiones de tierra y lamentablemente incluyen los grupos con mayor proporción de personas en estado de inseguridad alimentaria. El cambio climático está transformando el contexto para la agricultura en pequeña escala. Durante siglos, los pequeños agricultores desarrollaron la capacidad de adaptarse a los cambios ambientales y la variabilidad del clima, pero la velocidad y la intensidad del cambio climático está superando su capacidad de respuesta. Si no se cambia la manera que tenemos de lidiar con el cambio climático, tanto en acciones locales como globales, es muy probable que las personas rurales de entornos vulnerables tengan que adaptarse a un calentamiento global promedio de 4 °C por encima de los niveles preindustriales para el año 2100. Esta alza de las temperaturas aumentará aún más la incertidumbre y provocará desastres naturales como las sequías, la erosión del suelo, la pérdida de biodiversidad y la escasez agua sean mucho más frecuentes. Uno de los factores más importantes para los pequeños agricultores es que ya no pueden depender de los promedios históricos, por lo que es más difícil para ellos para planificar y gestionar la producción debido a los cambios en los patrones climáticos. Algunos de los principales cultivos de cereales (trigo, arroz, maíz, etc.) han alcanzado su umbral de tolerancia al calor y un aumento de la temperatura en torno a 1,5-2 °C podría ser muy perjudicial. Estos efectos a corto plazo podrían ser agravados por otros a medio y largo plazo, los que se refieren al impacto socioeconómico en términos de oportunidades y estabilidad política. El cambio climático está haciendo que el desarrollo de la pequeña agricultura resulte mucho más caro. A nivel de proyectos, los programas resistentes al clima tienen, normalmente, unos costos iniciales más altos, tanto de diseño como de implementación. Por ejemplo, es necesario incluir gastos adicionales en infraestructura, operación y mantenimiento; desarrollo de nuevas capacidades y el intercambio de conocimientos en torno al cambio climático. También se necesita mayor inversión para fortalecer las instituciones frente a los nuevos retos que propone el cambio climático, o generar información que pueda ser de escala reducida y con enfoques que beneficien a la comunidad, el cambio climático es global pero los efectos son locales. Es, por tanto, el momento de redefinir la relación entre agricultura y medio ambiente, ya que se hace cada vez más necesario buscar mejores y más eficientes maneras para responder al cambio climático. Es importante señalar que la respuesta al cambio climático no significa reinventar todo lo que se ha aprendido sobre el desarrollo, significa aplicar un esfuerzo renovado para hacer frente a los cambios en el trabajo de cooperación al desarrollo de una manera más sistemática y más amplia. Una respuesta coherente al cambio climático requiere que la comunidad internacional reconozca la necesidad de aumentar el apoyo financiero para la adaptación así como un mayor énfasis en proporcionar soluciones diseñadas para aumentar la resiliencia1 de los pequeños agricultores a las crisis relacionadas con el clima. Con el fin de responder a algunos de los desafíos mencionados anteriormente, esta investigación pretende contribuir a fortalecer las capacidades de los pequeños productores, aquellos que actualmente están la primera línea frente a los desafíos del cambio climático, promoviendo un desarrollo que tenga un impacto positivo en sus medios de vida. La tesis se compone de cuatro capítulos. El primero define y analiza el marco teórico de las interacciones entre el cambio climático y el impacto en los proyectos de desarrollo rural, especialmente los que tienen por objetivo mejorar la seguridad alimentaria de los pequeños productores. En ese mismo capítulo, se presenta una revisión global de la financiación climática, incluyendo la necesidad de asignar suficientes recursos para la adaptación. Con el fin de lograr una mayor eficacia e impacto en los proyectos de desarrollo, la investigación desarrolla una metodología para integrar actividades de adaptación al cambio climático, presentada en el segundo capítulo. Esta metodología fue implementada y validada durante el periodo 2012-14, trabajando directamente con diferentes equipos gubernamentales en diez proyectos del Fondo Internacional de Desarrollo Agrícola ). El tercero presenta, de manera detallada, la aplicación de la metodología a los estudios de caso de Bolivia y Nicaragua, así como un resumen de las principales conclusiones en la aplicación de los ocho países restantes. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones y un esbozo de futuras líneas de investigación. Actualmente, el tema de la sostenibilidad ambiental y el cambio climático está ganando terreno en la agenda de desarrollo. Es por ello que se alumbra esta investigación, para que a través de los resultados obtenidos y la implementación de la metodología propuesta, sirva como herramienta estratégica para la planificación y la gestión operativa a la hora de integrar iniciativas de adaptación en los proyectos de desarrollo rural. ABSTRACT The need for climate-smart agriculture for the world’s 500 million smallholder farms cannot be overlooked: they account for 60 per cent of global agriculture, provide up to 80 per cent of food in developing countries, manage vast areas of land and make up the largest share of the developing world’s undernourished. Climate change is transforming the context for smallholder agriculture. Over centuries smallholders have developed the capacity to adapt to environmental change and climate variability, but the speed and intensity of climate change is outpacing the speed of historically autonomous actions. In the absence of a profound step-change in local and global action on climate change, it is Increasingly likely that poor rural people would need to contend with an average global warming of 4 degrees above pre-industrial levels by 2100, if not sooner. Such substantial climatic change will further increase uncertainty and exacerbate weather –related disasters, droughts, biodiversity loss, and land and water scarcity. Perhaps most significantly for smallholder farmers, they can no longer rely on historical averages, making it harder for them to plan and manage production when planting seasons and weather patterns are shifting. The major cereal crops (wheat, rice, maize, etc.) are at their heat tolerance threshold and with a 1.5-2°C temperature increase could collapse. These “first-round” effects will be compounded by second-round socio-economic impacts in terms of economic opportunities and political stability. Climate change is making the development of smallholder agriculture more expensive. At project level, climate-resilient programmes typically have higher up-front design and implementation costs – e.g. infrastructure costs and initially increased asset management, operation and maintenance, more capacity-building and knowledge sharing, strengthening institutions, greater project development costs (downscaled data generation and community-based approaches), and greater costs from enhancing cross sectorial and stakeholders collaboration. Consequently it’s time to redefine the relationship between agriculture and environment as we need to look better and more efficient ways to respond to climate change. It is important to note that responding to climate change does not mean to throwing out or reinventing everything that has been learnt about development. It means a renewed effort to tackle wider and well-known development changes in a more systematic way. A coherent response to climate change requires acknowledge of the need to increase the financial support for adaptation and a continued emphasis on provided solutions designed to increase the resilience of smallholders and poor communities to shocks, which are weather related. In order to respond to some of the challenges mentioned before, this research aims to contribute to strengthen the capacities of the smallholders and to promote a development that will positively impact in the rural livelihoods of the most vulnerable smallholders farmers; those who currently are in the first line facing the challenges of climate change. The thesis has four chapters. Chapter one describes and analyses the theoretical framework of the interactions between climate change and the impact on rural development projects, especially those aimed at improving the food security of smallholders producers. In this chapter a comprehensive review of climate financing is presented, including the need to allocate sufficient resources for adaptation. In order to achieve greater effectiveness and impact on development projects, the research develops in the second chapter a methodology to integrate adaptation activities for climate change. This methodology was implemented and validated during the 2012-14 period, working directly with various government teams in ten projects of the International Fund for Agricultural Development (IFAD). The third chapter presents in detail the application of the methodology to the case studies of Bolivia and Nicaragua, as well as a summary of the main conclusions of its implementation in the remaining eight countries. The final chapter exposes the main conclusions and future research topics. At a time when environmental sustainability and climate change issues are gaining more attention, the research and obtained results through the implementation of the model methodology proposed, can be considered a strategic tool for planning and operational management to integrate adaptation initiatives in rural development projects. The use of the proposed methodology will boost incentives to scale up climate resilience programmes and integrate adaptation to climate change into wider smallholder development programmes.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.

Metodología para la caracterización de zonas costeras basada en un modelo sistémico

Las obras de infraestructura que construye el ser humano para optimizar los recursos naturales y satisfacer sus necesidades, producen impactos tanto positivos como negativos en el ambiente. México cuenta con una gran cantidad de recursos naturales y lugares que han sido favorecidos por la naturaleza, donde la sobrecarga de las actividades antropogénicas genera problemas de impacto ambiental, especialmente en las zonas costeras y en su entorno. El objetivo del presente trabajo fue aportar información acerca de las principales presiones que recibe el sistema y cómo esto afecta a las propuestas de soluciones integrales y a la capacidad para recuperar el estado de equilibrio en las zonas costeras. En la presente investigación, se desarrolló una metodología para la caracterización de zonas costeras, basada en un modelo sistémico, con el propósito de tener una herramienta de planificación para proyectos ambientalmente sustentables, integrando una base de datos con las mejores prácticas de planificación, lo que facilitará el diagnóstico y la evaluación de la capacidad adaptativa de recuperación del sistema. Asimismo, se utilizó un modelo sistémico como una metodología para organizar la gran complejidad que implica la interrelación e interconexión que existe entre los múltiples componentes, y con ello obtener el conocimiento para su caracterización. Con base en el modelo de Zachman, se realizó un análisis para la detección de las fortalezas y debilidades del sistema, lo que permitió visualizar el impacto de los riesgos a que está expuesta una zona costera. Las principales aportaciones de este trabajo fueron el desarrollo de la FICHA DE CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA COSTERA y la inclusión, en dicha ficha, de la estimación del nivel de la resiliencia física, ambiental, social, económica y política. La metodología propuesta, es una aportación que permite integrar los componentes, las relaciones e interconexiones que existen en el sistema costero. La metodología tiene la ventaja de ser flexible y se pueden agregar o desechar componentes de acuerdo a las particularidades de cada caso de estudio; adicionalmente, se propone utilizar esta herramienta como ayuda en el monitoreo periódico del sistema. Lo anterior como parte de un observatorio integrado al Sistema Nacional de Gestión Costera que se propone como parte de futuras líneas de investigación. Como caso de estudio, se realizó la caracterización del complejo sistema Banco Chinchorro, lo que resultó en la inclusión (en la FICHA DE CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA COSTERA), de las lecciones aprendidas con la detección de buenas y malas prácticas, esto redundó en la mejora de la metodología propuesta para la gestión de la zona costera. All infrastructures that build the human being to optimize natural resources and meet their needs, generate both, positive and negative impacts on the environment, since the acquisition and transformation of resources in coastal areas affect their balance. Mexico has a large number of natural resources and places that have been favored by nature, whereas the overhead of anthropogenic activities leads to problems of environmental impact, especially in coastal areas and in its surroundings. The aim of this study was to provide information about the main pressures that a system receives and how this affects the proposed solutions and the ability to restore the state of balance in coastal areas. In this research, a methodology for the characterization of coastal zones, based on a systemic model, in order to develop a planning tool for environmentally sustainable projects, was developed, integrating a database with the best practices for planning, conservation and balance of coastal areas. This will facilitate the diagnosis and evaluation of the adaptive resilience of the system. A systemic model was used as a methodology to organize the vast complexity of the relationship and interconnection between the multiple components, and so thus gain knowledge for its characterization. Based on the Zachman model, an analysis to detect the strengths and weaknesses of the system was performed, allowing visualizing the impact of the risks that the coastal zone is exposed to. The main contributions of this study was the development of the COASTAL CHARACTERIZATION RECORD, and the inclusion, on that record, of the estimation of the physical, environmental, social, economic and political resilience. The proposed methodology is a contribution that allows integrating the components, relationships and interconnections existing in the coastal system. The methodology has the advantage of being flexible and components can be added or discarded according to the particularities of each case study; Additionally, this is not only a diagnostic tool, it is proposed to use it as an aid in monitoring periodically the system, this as part of an integrated monitoring into the National System of Coastal Management that is proposed as part of future research. As a case study, the characterization of the coastal zone “Banco Chinchorro” was done, resulting in the inclusion, in the COASTAL CHARACTERIZATION RECORD, of the documented lessons learned from the good and bad practices detection, improvement of the methodology proposed for the management of the coastal zone.

Análisis de Riesgos y recomendaciones para la aplicación de la técnica de Fracturación Hidráulica.

Como es bien sabido, actualmente la Unión Europea pasa por un momento de crisis energética y en concreto España tiene el problema de su gran dependencia energética de otros países, al mismo tiempo que el consumo de gas natural ha aumentado. El hecho de que Estados Unidos se haya autoabastecido energéticamente gracias al gas de esquisto extraído por fracturación hidráulica, hace que en Europa y consecuentemente en España, se vea esta técnica de forma favorable dado que reduciría esta dependencia energética. Pero en contra, la fracturación hidráulica ha dado lugar en Estados Unidos a una serie de accidentes cuyas consecuencias han tenido impacto en el medio ambiente y esto ha provocado un gran debate social a cerca de las consecuencias medioambientales de la extracción de gas de esquisto. Es inevitable, que al igual que ocurre con la extracción de hidrocarburos convencionales, también durante la extracción de hidrocarburos no convencionales existan unos riesgos asociados. Este Trabajo Fin de Máster se engloba dentro de un proyecto titulado “Seguridad en un proyecto de gas de esquisto” concretamente en la convocatoria de 2014 de “Proyectos I+D+I, del Programa Estatal de Investigación y Desarrollo e Innovación orientado a los retos de la sociedad”, por el Ministerio de Economía y Competitividad. Se ha realizado un estudio de incidentes ocurridos en Estados Unidos que es donde más experiencia hay en la práctica de la técnica de la fracturación hidráulica y una vez conocidas sus causas y el tipo de impacto se ha asignado las probabilidades de que ocurran y en qué fase del proyecto de extracción de gas de esquisto es más probable que tengan lugar. Las principales preocupaciones en relación con el medio ambiente que se plantean respecto a la explotación del gas no convencional mediante la técnica de la fracturación hidráulica son: contaminación de los acuíferos (bien sea por el fluido de fracturación empleado o por el metano); consumo de agua necesaria durante la fracturación hidráulica; el tratamiento, control y posible radiactividad de las aguas de retorno; sismicidad inducida por la fracturación hidráulica y contaminación atmosférica por emisiones incontroladas, especialmente metano. Con el objetivo de controlar, prevenir o mitigar los riesgos que conlleva el desarrollo de estas prácticas, la Unión Europea estableció la Recomendación (2014/70/UE), de 22 de enero de 2014. Del mismo modo, debido al incremento del número de permisos de investigación de esta técnica que se solicitaron en España, las actividades de fracturación hidráulica se regularon en el artículo 9.5 de la Ley 17/2013 del Sector de Hidrocarburos y por la Ley 21/2013 de Evaluación de Impacto Ambiental. Consecuentemente se han propuesto en este trabajo una serie de recomendaciones para minimizar los incidentes que pudiesen ocurrir en España provocados por esta técnica. Las más destacadas son: correcto diseño del pozo, realización de estudios hidrológicos y redes de control, reducción del consumo de agua mediante reutilización de las aguas de retorno y de producción después de que se traten en plantas de tratamiento de aguas residuales, utilización de equipos de medida de sustancias químicas en la planta, monitorización sísmica en tiempo real 3D del pozo, así como planes de vigilancia de tipo semáforo para reducir la sismicidad inducida por la aplicación de la técnica.

Expansión y transformación del territorio : la ineficiencia de los fraccionamientos urbanizados : zona conurbada de Veracruz, México

La expansión de la ciudad y zona conurbada de Veracruz, se encuentra en una dinámica en donde convergen el medio artificial construido por el hombre y que ha generado una ciudad fragmentada; el medio natural, en el que se encuentran importantes componentes ecosistémicos de la zona costera; las políticas y estrategias que establecen los cinco Programas de ordenamiento urbano vigentes, sujetos al patrón de acumulación de capital, favoreciendo los intereses de la iniciativa privada. Bajo este panorama encontramos un territorio complejo que se encuentra cada vez más vulnerado y en riesgo de que los sistemas humano y natural colapsen. Lo anterior se evidencia en los nuevos desarrollos urbanizados, a partir del estudio de la problemática que presentan los fraccionamientos habitacionales, donde cada vez son más vulnerables, lo que constata su ineficiencia dentro del sistema urbano. ABSTRACT The expansion of the city and metropolitan area of Veracruz, is in a dynamic where converge the artificial environment built by the man and that has generated a fragmented city; natural environment, in which there are important ecosystem components of the coastal zone; policies and strategies that establish the five existing urban planning programs, subject to the pattern of accumulation of capital, favoring the private enterprises interests. Under this scenario is found a complex area that is more vulnerable every time and at risk of human and natural systems collapse. The above mentioned is evident in the new urbanized development, from studies of the problem posed by housing developments, finding that more and more vulnerable, which finds its inefficiency within the urban system.

Development of a sensorimotor algorithm able to deal with unforeseen pushes and its implementation based on VHDL

Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL is the title of my thesis which concludes my Bachelor Degree in the Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación of the Universidad Politécnica de Madrid. It encloses the overall work I did in the Neurorobotics Research Laboratory from the Beuth Hochschule für Technik Berlin during my ERASMUS year in 2015. This thesis is focused on the field of robotics, specifically an electronic circuit called Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) and its control algorithm based on VHDL hardware description language. The reason that makes the CSL special resides in its ability to operate a motor both as a sensor and an actuator. This way, it is possible to achieve a balanced position in any of the robot joints (e.g. the robot manages to stand) without needing any conventional sensor. In other words, the back electromotive force (EMF) induced by the motor coils is measured and the control algorithm responds depending on its magnitude. The CSL circuit contains mainly an analog-to-digital converter (ADC) and a driver. The ADC consists on a delta-sigma modulation which generates a series of bits with a certain percentage of 1's and 0's, proportional to the back EMF. The control algorithm, running in a FPGA, processes the bit frame and outputs a signal for the driver. This driver, which has an H bridge topology, gives the motor the ability to rotate in both directions while it's supplied with the power needed. The objective of this thesis is to document the experiments and overall work done on push ignoring contractive sensorimotor algorithms, meaning sensorimotor algorithms that ignore large magnitude forces (compared to gravity) applied in a short time interval on a pendulum system. This main objective is divided in two sub-objectives: (1) developing a system based on parameterized thresholds and (2) developing a system based on a push bypassing filter. System (1) contains a module that outputs a signal which blocks the main Sensorimotor algorithm when a push is detected. This module has several different parameters as inputs e.g. the back EMF increment to consider a force as a push or the time interval between samples. System (2) consists on a low-pass Infinite Impulse Response digital filter. It cuts any frequency considered faster than a certain push oscillation. This filter required an intensive study on how to implement some functions and data types (fixed or floating point data) not supported by standard VHDL packages. Once this was achieved, the next challenge was to simplify the solution as much as possible, without using non-official user made packages. Both systems behaved with a series of interesting advantages and disadvantages for the elaboration of the document. Stability, reaction time, simplicity or computational load are one of the many factors to be studied in the designed systems. RESUMEN. Development of a Sensorimotor Algorithm Able to Deal with Unforeseen Pushes and Its Implementation Based on VHDL es un Proyecto de Fin de Grado (PFG) que concluye mis estudios en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Sistemas de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid. En él se documenta el trabajo de investigación que realicé en el Neurorobotics Research Laboratory de la Beuth Hochschule für Technik Berlin durante el año 2015 mediante el programa de intercambio ERASMUS. Este PFG se centra en el campo de la robótica y en concreto en un circuito electrónico llamado Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) y su algoritmo de control basado en lenguaje de modelado hardware VHDL. La particularidad del CSL reside en que se consigue que un motor haga las veces tanto de sensor como de actuador. De esta manera es posible que las articulaciones de un robot alcancen una posición de equilibrio (p.ej. el robot se coloca erguido) sin la necesidad de sensores en el sentido estricto de la palabra. Es decir, se mide la propia fuerza electromotriz (FEM) inducida sobre el motor y el algoritmo responde de acuerdo a su magnitud. El circuito CSL se compone de un convertidor analógico-digital (ADC) y un driver. El ADC consiste en un modulador sigma-delta, que genera una serie de bits con un porcentaje de 1's y 0's determinado, en proporción a la magnitud de la FEM inducida. El algoritmo de control, que se ejecuta en una FPGA, procesa esta cadena de bits y genera una señal para el driver. El driver, que posee una topología en puente H, provee al motor de la potencia necesaria y le otorga la capacidad de rotar en cualquiera de las dos direcciones. El objetivo de este PFG es documentar los experimentos y en general el trabajo realizado en algoritmos Sensorimotor que puedan ignorar fuerzas de gran magnitud (en comparación con la gravedad) y aplicadas en una corta ventana de tiempo. En otras palabras, ignorar empujones conservando el comportamiento original frente a la gravedad. Para ello se han desarrollado dos sistemas: uno basado en umbrales parametrizados (1) y otro basado en un filtro de corte ajustable (2). El sistema (1) contiene un módulo que, en el caso de detectar un empujón, genera una señal que bloquea el algoritmo Sensorimotor. Este módulo recibe diferentes parámetros como el incremento necesario de la FEM para que se considere un empujón o la ventana de tiempo para que se considere la existencia de un empujón. El sistema (2) consiste en un filtro digital paso-bajo de respuesta infinita que corta cualquier variación que considere un empujón. Para crear este filtro se requirió un estudio sobre como implementar ciertas funciones y tipos de datos (coma fija o flotante) no soportados por las librerías básicas de VHDL. Tras esto, el objetivo fue simplificar al máximo la solución del problema, sin utilizar paquetes de librerías añadidos. En ambos sistemas aparecen una serie de ventajas e inconvenientes de interés para el documento. La estabilidad, el tiempo de reacción, la simplicidad o la carga computacional son algunas de las muchos factores a estudiar en los sistemas diseñados. Para concluir, también han sido documentadas algunas incorporaciones a los sistemas: una interfaz visual en VGA, un módulo que compensa el offset del ADC o la implementación de una batería de faders MIDI entre otras.