Dynamic Response Optimization of Vehicles through Efficient Multibody Formulations and Automatic Differentiation Techniques

El diseño y desarrollo de sistemas de suspensión para vehículos se basa cada día más en el diseño por ordenador y en herramientas de análisis por ordenador, las cuales permiten anticipar problemas y resolverlos por adelantado. El comportamiento y las características dinámicas se calculan con precisión, bajo coste, y recursos y tiempos de cálculo reducidos. Sin embargo, existe una componente iterativa en el proceso, que requiere la definición manual de diseños a través de técnicas “prueba y error”. Esta Tesis da un paso hacia el desarrollo de un entorno de simulación eficiente capaz de simular, analizar y evaluar diseños de suspensiones vehiculares, y de mejorarlos hacia la solución optima mediante la modificación de los parámetros de diseño. La modelización mediante sistemas multicuerpo se utiliza aquí para desarrollar un modelo de autocar con 18 grados de libertad, de manera detallada y eficiente. La geometría y demás características de la suspensión se ajustan a las del vehículo real, así como los demás parámetros del modelo. Para simular la dinámica vehicular, se utiliza una formulación multicuerpo moderna y eficiente basada en las ecuaciones de Maggi, a la que se ha incorporado un visor 3D. Así, se consigue simular maniobras vehiculares en tiempos inferiores al tiempo real. Una vez que la dinámica está disponible, los análisis de sensibilidad son cruciales para una optimización robusta y eficiente. Para ello, se presenta una técnica matemática que permite derivar las variables dinámicas dentro de la formulación, de forma algorítmica, general, con la precisión de la maquina, y razonablemente eficiente: la diferenciación automática. Este método propaga las derivadas con respecto a las variables de diseño a través del código informático y con poca intervención del usuario. En contraste con otros enfoques en la bibliografía, generalmente particulares y limitados, se realiza una comparación de librerías, se desarrolla una formulación híbrida directa-automática para el cálculo de sensibilidades, y se presentan varios ejemplos reales. Finalmente, se lleva a cabo la optimización de la respuesta dinámica del vehículo citado. Se analizan cuatro tipos distintos de optimización: identificación de parámetros, optimización de la maniobrabilidad, optimización del confort y optimización multi-objetivo, todos ellos aplicados al diseño del autocar. Además de resultados analíticos y gráficos, se incluyen algunas consideraciones acerca de la eficiencia. En resumen, se mejora el comportamiento dinámico de vehículos por medio de modelos multicuerpo y de técnicas de diferenciación automática y optimización avanzadas, posibilitando un ajuste automático, preciso y eficiente de los parámetros de diseño. ABSTRACT Each day, the design and development of vehicle suspension systems relies more on computer-aided design and computer-aided engineering tools, which allow anticipating the problems and solving them ahead of time. Dynamic behavior and characteristics are thus simulated accurately and inexpensively with moderate computational times and resources. There is, however, an iterative component in the process, which involves the manual definition of designs in a trialand-error manner. This Thesis takes a step towards the development of an efficient simulation framework capable of simulating, analyzing and evaluating vehicle suspension designs, and automatically improving them by varying the design parameters towards the optimal solution. The multibody systems approach is hereby used to model a three-dimensional 18-degrees-of-freedom coach in a comprehensive yet efficient way. The suspension geometry and characteristics resemble the ones from the real vehicle, as do the rest of vehicle parameters. In order to simulate vehicle dynamics, an efficient, state-of-the-art multibody formulation based on Maggi’s equations is employed, and a three-dimensional graphics viewer is developed. As a result, vehicle maneuvers can be simulated faster than real-time. Once the dynamics are ready, a sensitivity analysis is crucial for a robust optimization. To that end, a mathematical technique is introduced, which allows differentiating the dynamic variables within the multibody formulation in a general, algorithmic, accurate to machine precision, and reasonably efficient way: automatic differentiation. This method propagates the derivatives with respect to the design parameters throughout the computer code, with little user interaction. In contrast with other attempts in the literature, mostly not generalpurpose, a benchmarking of libraries is carried out, a hybrid direct-automatic differentiation approach for the computation of sensitivities is developed, and several real-life examples are analyzed. Finally, a design optimization process of the aforementioned vehicle is carried out. Four different types of dynamic response optimization are presented: parameter identification, handling optimization, ride comfort optimization and multi-objective optimization; all of which are applied to the design of the coach example. Together with analytical and visual proof of the results, efficiency considerations are made. In summary, the dynamic behavior of vehicles is improved by using the multibody systems approach, along with advanced differentiation and optimization techniques, enabling an automatic, accurate and efficient tuning of design parameters.

Evaluating sustainability and food security of peasant farming systems in Mesoamerican highlands

En las últimas décadas, la agricultura sostenible ha sido objeto de gran interés y debate académico, no sólo en términos conceptuales, sino también en términos metodológicos. La persistencia de la inseguridad alimentaria y el deterioro de los recursos naturales en muchas regiones del mundo, ha provocado el surgimiento de numerosas iniciativas centradas en revitalizar la agricultura campesina así como renovadas discusiones sobre el rol que juega la agricultura como motor de desarrollo y principal actividad para alivio de la pobreza. Por ello, cuando hablamos de evaluar sistemas campesinos de montaña, debemos considerar tanto la dimensión alimentaria como las especificidades propias de los sistemas montañosos como base fundamental de la sostenibilidad. Al evaluar la contribución que han hecho alternativas tecnológicas y de manejo en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de los sistemas campesinos de montaña en Mesoamérica, surgen tres preguntas de investigación: • ¿Se está evaluando la sostenibilidad de los sistemas campesinos teniendo en cuenta la variabilidad climática, la participación de los agricultores y las dinámicas temporales? • ¿Podemos rescatar tendencias comunes en estos sistemas y extrapolar los resultados a otras zonas? • ¿Son inequívocamente positivas las alternativas propuestas que se han llevado a cabo? En este trabajo se presentan tres evaluaciones de sostenibilidad que tratan de poner de manifiesto cuáles son los retos y oportunidades que enfrentan actualmente los sistemas campesinos de montaña. En primer lugar, se evalúan tres sistemas de manejo agrícola bajo dos años meteorológicamente contrastantes. Se determinó que durante el año que experimentó lluvias abundantes y temperaturas moderadas, los sistemas de bajos insumos, basados en el uso de abonos orgánicos y rotación de cultivos, obtuvieron los mejores resultados en indicadores ecológicos y similares resultados en los económicos y sociales que el sistema de altos insumos químicos. En el segundo año, con heladas tempranas y sequía invernal, la productividad se redujo para todos los sistemas pero los sistemas más diversificados (en variedades de maíz y/o siembra de otros cultivos) pudieron resistir mejor los contratiempos climáticos. En segundo lugar, se evalúa el grado de conocimiento (percepción) campesino para determinar los factores claves que determinan la sostenibilidad de sus sistemas y su seguridad alimentaria. Se determinó que los principales puntos críticos identificados por los campesinos (tamaño de parcela y pendiente del terreno) afectan de forma significativa a cuestiones de índole económica, pero no son capaces de explicar los desequilibrios alimenticios existentes. Realizando un análisis comparativo entre comunidades que presentaban buenos y malos resultados en cuanto a aporte energético y proteico, se determinó que la seguridad alimentaria estaba relacionada con la sostenibilidad de los sistemas y que concretamente estaba ligada a los atributos de equidad y autonomía. Otro resultado destacable fue que las comunidades más marginales y con mayor dificultad de acceso mostraron mayores niveles de inseguridad alimentaria, pero la variabilidad intergrupal fue muy alta. Eso demuestra que la seguridad alimentaria y nutricional forma parte de un complejo sistema de estrategias de autoabastecimiento ligada a la idiosincrasia misma de cada uno de los hogares. En tercer lugar, se evaluó el desempeño de las escuelas de campo de agricultores (ECAs) en la mejora de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de un sistema campesino de montaña. Para ver el efecto del impacto de estas metodologías a largo plazo, se estudiaron tres comunidades donde se habían implementado ECAs hace 8, 5 y 3 años. Encontramos que el impacto fue progresivo ya que fue la comunidad más antigua la que mejores valores obtuvo. El impacto de las ECAs fue rápido y persistente en los indicadores relacionados con la participación, el acceso a servicios básicos y la conservación de los recursos naturales. El estudio demostró un claro potencial de las ECAs en la mejora general de la sostenibilidad y la seguridad alimentaria de estos sistemas, sin embargo se observó una relación directa entre el aumento de producción agrícola y el uso de insumos externos, lo que puede suponer un punto crítico para los ideales sostenibles. ABSTRACT During the last decades, sustainable agriculture has been the subject of considerable academic interest and debate, not only in conceptual terms, but also in methodological ones. The persistence of high levels of environmental degradation and food insecurity in many regions has led to new initiatives focused on revitalizing peasant agriculture and renewed discussions of the role of sustainable agriculture as an engine for development, environmental conservation and poverty alleviation. Therefore, to assess mountain farming systems, we must consider food dimension and taking into account the specificities of the mountain systems as the foundation of sustainability. When evaluating contribution of technological and management alternative proposals in achieving sustainability and food security for peasant farming systems in Mesoamerican highlands, three research questions arise: • Is sustainability of peasant-farming systems being evaluated taking into account climate variability, participation of farmers and temporal dynamics? • Can we rescue common trends in these systems and extrapolate the results to other areas? • What alternative proposals that have been conducted are unequivocally positives? In this document, we present three evaluations of sustainability that try to highlight the challenges and opportunities that currently face mountain farming systems in Mesoamerica. First, we evaluate the sustainability of three agricultural management systems in two contrasting weather years. We determined that during the first year that exposed heavy rains and moderate temperatures, low-input systems, which are based on the use of organic fertilizers and crop rotation, provided better results in terms of ecological indicators and equal results in terms of economic and social indicators than those achieved using a high chemical input system. In the second year, which featured early frosts and a winter drought, productivity declined in all systems; however, the most diversified systems (in terms of the maize varieties grown and the sowing of other crops) more successfully resisted these climatic adversities. Second, we evaluate the farmers’ perception to determine the key drivers for achieving their sustainability and food and nutritional security. We determined that the key factors identified by farmers (landholding size and slope of cropland) exerted significant impacts on economic disparities but did not explain the malnutrition levels. We compared two contrasting hamlets according to their energy and protein supply, one namely Limón Timoté (LT), which did not present food problems and Limón Peña Blanca (LP), which did exhibit food insecurity. The results showed that FNS is linked to sustainability, and it is primarily related to the sustainability attributes of self-reliance and equity. Although the more marginated and inaccessible community exhibited more food insecurity, food and nutritional security depend upon a complex array of self-sufficiency strategies that remain linked to individual household idiosyncrasies. Third, we evaluated the impact of farmer field schools for improving the sustainability and food security of peasant mountain systems. In order to appreciate the long-term impact, we studied three communities where FFSs were implemented eight, five and three years ago, respectively. We found that FFSs have a gradual impact, as the community that first implemented FFSs scores highest. The impact of FFSs was broad and long-lasting for indicators related to participation, access to basic services and conservation of natural resources. This study demonstrates the potential of FFSs, but more attention will have to be paid to critical indicators in order to scale up their potential in the future. We observed a direct relationship between the increase in agricultural production and the use of external inputs, which is a critical point for sustainable ideals.