Assessment of interatomic potentials for atomistic analysis of static and dynamic properties of screw dislocations in W

Screw dislocations in bcc metals display non-planar cores at zero temperature which result in high lattice friction and thermally-activated strain rate behavior. In bcc W, electronic structure molecular statics calculations reveal a compact, non-degenerate core with an associated Peierls stress between 1.7 and 2.8 GPa. However, a full picture of the dynamic behavior of dislocations can only be gained by using more efficient atomistic simulations based on semiempirical interatomic potentials. In this paper we assess the suitability of five different potentials in terms of static properties relevant to screw dislocations in pure W. Moreover, we perform molecular dynamics simulations of stress-assisted glide using all five potentials to study the dynamic behavior of screw dislocations under shear stress. Dislocations are seen to display thermally-activated motion in most of the applied stress range, with a gradual transition to a viscous damping regime at high stresses. We find that one potential predicts a core transformation from compact to dissociated at finite temperature that affects the energetics of kink-pair production and impacts the mechanism of motion. We conclude that a modified embedded-atom potential achieves the best compromise in terms of static and dynamic screw dislocation properties, although at an expense of about ten-fold compared to central potentials.

An introduction to flow and transport in fractal models of porous media: Part I

This special issue gathers together a number of recent papers on fractal geometry and its applications to the modeling of flow and transport in porous media. The aim is to provide a systematic approach for analyzing the statics and dynamics of fluids in fractal porous media by means of theory, modeling and experimentation. The topics covered include lacunarity analyses of multifractal and natural grayscale patterns, random packing's of self-similar pore/particle size distributions, Darcian and non-Darcian hydraulic flows, diffusion within fractals, models for the permeability and thermal conductivity of fractal porous media and hydrophobicity and surface erosion properties of fractal structures.

Funicularity and equilibrium for high-performance conceptual structural design

Las estructuras que trabajan por forma se caracterizan por la íntima e indisociable relación entre geometría y comportamiento estructural. Por consiguiente, la elección de una apropiada geometría es el paso previo indispensable en el diseño conceptual de dichas estructuras. En esa tarea, la selección de las posibles geometrías antifuniculares para las distribuciones de cargas permanentes más habituales son más bien limitadas y, muchas veces, son criterios no estructurales (adaptabilidad funcional, estética, proceso constructivo, etc.) los que no permiten la utilización de dichas geometrías que garantizarían el máximo aprovechamiento del material. En este contexto, esta tesis estudia la posibilidad de obtener una estructura sin momentos flectores incluso si la geometría no es antifunicular para sus cargas permanentes. En efecto, esta tesis presenta un procedimiento, basado en la estática gráfica, que demuestra cómo un conjunto de cargas adicionales, introducidas a través de un sistema de pretensado exterior con elementos post-tesos, puede eliminar los momentos flectores debidos a cargas permanentes en cualquier geometría plana. Esto se traduce en una estructura antifunicular que proporciona respuestas innovadoras a demandas conjuntas de versatilidad arquitectónica y optimización del material. Dicha metodología gráfica ha sido implementada en un software distribuido libremente (EXOEQUILIBRIUM), donde el análisis estructural y la variación geométrica están incluidos en el mismo entorno interactivo y paramétrico. La utilización de estas herramientas permite más versatilidad en la búsqueda de nuevas formas eficientes, lo cual tiene gran importancia en el diseño conceptual de estructuras, liberando al ingeniero de la limitación del propio cálculo y de la incomprensión del comportamiento estructural, facilitando extraordinariamente el hecho creativo a la luz de una metodología de este estilo. Esta tesis incluye la aplicación de estos procedimientos a estructuras de cualquier geometría y distribución inicial de cargas, así como el estudio de diferentes posibles criterios de diseño para optimizar la posición del sistema de post-tesado. Además, la metodología ha sido empleada en el proyecto de maquetas a escala reducida y en la construcción de un pabellón hecho enteramente de cartón, lo que ha permitido obtener una validación física del procedimiento desarrollado. En definitiva, esta tesis expande de manera relevante el rango de posibles geometrías antifuniculares y abre enormes posibilidades para el diseño de estructuras que combinan eficiencia estructural y flexibilidad arquitectónica.Curved structures are characterized by the critical relationship between their geometry and structural behaviour, and selecting an appropriate shape in the conceptual design of such structures is important for achieving materialefficiency. However, the set of bending-free geometries are limited and, often, non-structural design criteria (e.g., usability, architectural needs, aesthetics) prohibit the selection of purely funicular or antifunicular shapes. In response to this issue, this thesis studies the possibility of achieving an axial-only behaviour even if the geometry departs from the ideally bending-free shape. This dissertation presents a new design approach, based on graphic statics that shows how bending moments in a two-dimensional geometry can be eliminated by adding forces through an external post-tensioning system. This results in bending-free structures that provide innovative answers to combined demands on versatility and material optimization. The graphical procedure has been implemented in a free-downloadable design-driven software (EXOEQUILIBRIUM) where structural performance evaluations and geometric variation are embedded within an interactive and parametric working environment. This provides greater versatility in finding new efficient structural configurations during the first design stages, bridging the gap between architectural shaping and structural analysis. The thesis includes the application of the developed graphical procedure to shapes with random curvature and distribution of loads. Furthermore, the effect of different design criteria on the internal force distribution has been analyzed. Finally, the construction of reduced- and large-scale models provides further physical validation of the method and insights about the structural behaviour of these structures. In summary, this work strongly expands the range of possible forms that exhibit a bending-free behaviour and, de facto, opens up new possibilities for designs that combine high-performing solutions with architectural freedom.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

Estudio de los parámetros necesarios para establecer las medidas de actuación por tipos de buques en situaciones de emergencia después de un accidente

La “Actuación en la Crisis”, objetivo principal de esta tesis, trata de establecer y concretar los procedimientos y apoyos desde tierra y a bordo de los buques, tanto técnicos como operacionales, a seguir por el Capitán y tripulación de un buque después de un accidente, en especial cuando el buque tiene un riesgo importante de hundimiento o necesidad de abandono. La aparición de este concepto es relativamente reciente, es decir desde el año 1995, después de los estudios y propuestas realizados, por el Panel de Expertos de IMO, como consecuencia del hundimiento del buque de pasaje y carga rodada, Estonia, en el que perdieron la vida más de 850 personas a finales de Septiembre de 1994. Entre las propuestas recomendadas y aceptadas por los gobiernos en la Conferencia Internacional SOLAS 1995, figuraba este concepto novedoso, que luego fue adoptado de una forma generalizada para todos los tipos de buques, que hasta entonces sólo disponían de documentos dispersos y a veces contradictorios para la actuación en estos momentos de peligro, que dio lugar a un profundo tratamiento de este problema, que iba a afectar a los buques, tanto en los conceptos y parámetros de proyecto, como a la propia operación del buque. La tesis desarrolla los fundamentos, estado del arte, implantación y consecuencias sobre la configuración y explotación del buque, que han dado lugar a una serie de documentos, que se han incluido en diversos Convenios Internacionales, Códigos y otros documentos de obligada aplicación en la industria naval generados en IMO (SOLAS, Retorno Seguro a Puerto, Plano y Libro de Control de Averías, ISM). La consecuencia más novedosa e interesante de este concepto ha sido la necesidad de disponer cada compañía explotadora del buque, de un servicio importante de “apoyo en la crisis”, que ha dado lugar a implantar un “servicio de emergencia especial”, disponible las 24 horas del día y 365 de año que ofrecen las Sociedades de Clasificación. El know-how de los accidentes que tratan estos servicios, hacen que se puedan establecer ciertas recomendaciones, que se centran, en que el buque tenga, por sus propios medios, una posibilidad de aumentar el KM después de una avería, la garantía de la resistencia estructural adecuada y el aumento del tiempo de hundimiento o el tiempo de mantenimiento a flote (otro tipo de averías vinculadas con la maquinaria, equipo o protección y lucha contra incendios, no son objeto de tesis). Las conclusiones obtenidas, son objeto de discusión especialmente en IACS e IMO, con el fin de establecer las aplicaciones pertinentes, que permitan dar al buque una mayor seguridad. Como objetivo principal de esta tesis es establecer estos puntos de mejora consecuencia de esta actuación en la crisis, con la aportación de varias soluciones que mejorarían los problemas mencionados para los tres tipos de buques que consideramos más importantes (pasaje, petroleros y bulkcarriers) La tesis recorre, desde el principio en 1995, la evolución de esta actuación en la crisis, hasta el momento actual., los puntos básicos que se establecen, que van muy de la mano de la llamada “cultura de seguridad”, objetivo nacido durante los años 90, con el fin de implantar una filosofía distinta para abordar el tratamiento de la seguridad del buque, a la que se venía aplicando hasta el momento, en donde se contemplaba tratar el tema de forma singular y específica para cada caso. La nueva filosofía, trataba de analizar el problema, desde un aspecto global y por tanto horizontal, realizando un estudio exhaustivo de las consecuencias que tendría la aplicación de una nueva medida correctora, en los restantes equipos y sistemas del buque., relativos al proyecto, configuración, operación y explotación del buque. Se describen de manera sucinta las profundas investigaciones a que dio lugar todo lo anterior, estando muchas de ellas, vinculadas a grandes proyectos europeos. La mayor parte de estos proyectos fueron subvencionados por la Comunidad Económica Europea durante la primera década del siglo actual. Dentro de estas investigaciones, donde hay que destacar la participación de todos los agentes del sector marítimo europeo, se hacen imprescindibles la utilización de dos herramientas novedosas para nuestro sector, como son el “Estudio de Riesgos” y la “Evaluación de la Seguridad”, más conocida técnicamente por su nombre ingles “Safety Assessment”, cuyos principios también son incluidos en la tesis. Además se especifican las bases sobre las que se establecen la estabilidad intacta y en averías, con nuevos conceptos, no tratados nunca hasta entonces, como la “altura crítica de agua en cubierta” para la cual el buque se hundiría sin remisión, “estado de la mar” en la que se puede encontrar el buque averiado, el cálculo del tiempo de hundimiento, u otros aspectos como el corrimiento de la carga, o bien el tratamiento de los problemas dinámicos en el nuevo “Código de Estabilidad Intacta”. Con respecto a la resistencia estructural, especialmente el estudio de la “resistencia estructural después de la avería”, que tiene en cuenta el estado de la mar en la que se encontraría el buque afectado. Se analizan los tipos de buques mencionados uno por uno y se sacan, como aportación fundamental de esta tesis, separadamente, las acciones y propuestas a aplicar a estos buques. En primer lugar, las relativas al proyecto y configuración del buque y en segundo lugar, las de operación, explotación y mantenimiento, con el fin de acometer, con garantías de éxito, la respuesta a la ayuda en emergencia y la solución a la difícil situación que pueden tener lugar en condiciones extremas. Para ver el efecto de algunas de las propuestas que se incluyen, se realizan y aplican concretamente, a un buque de pasaje de carga rodada, a un petrolero y a un bulkcarrier, para demostrar el mejor comportamiento de estos buques en situación de emergencia. Para ello se han elegido un buque ejemplo para cada tipo, efectuándose los cálculos de estabilidad y resistencia longitudinal y comparar la situación, en la que quedaría el buque averiado, antes y después de la avería. La tesis se completa con una estadística real de buques averiados de cada uno de estos tres tipos, distinguiendo el tipo de incidente y el número de los buques que lo han sufrido, considerándose como más importantes los incidentes relacionados con varadas, colisiones y fuego resumiéndose lo más relevante de esta aportación también importante de esta tesis. ABSTRACT The "Response in an emergency" is the main objective of this thesis, it seeks to establish and define procedures for technical and operational support onboard and shore, to be followed by the captain and crew on of a ship after an accident, especially when the ship has a significant risk of sinking or a need to abandon it. The emergence of this concept is relatively recent, in 1995, after studies and proposals made by the Panel of Experts IMO, following the sinking of the “Estonia” vessel, where more than 850 people died in late September 1994. In the International Convention SOLAS 1995, among the recommended proposals and accepted regulations, this new concept was included, which was later adopted for all types of ships which until then had only scattered some documents, sometimes including contradictory actions in emergency situations. This led to a profound treatment of this problem, which would affect the vessels in both the concepts and design parameters, as to the proper operation of the vessel. The thesis develops the foundations, state of the art, implementation and consequences on the design and operation of the vessel, this has led to a series of Circulars and Regulations included in several International Codes and Conventions issued by IMO which are required to be complied with (SOLAS Safe Return to Port, Damage Control Plan and Booklet, ISM). The most novel and interesting consequence of this concept has been the need for every company operating the ship to have a shore based support service in emergency situations which has led to implement special emergency services offered by Class Societies which are available 24 hours a day, 365 days per year. The know-how of these services dealing with all types of accidents can establish certain recommendations, which focus on the ship capability to increase the KM after damage. It can also be determined adequate structural strength and the increase of the capsizing time or time afloat (other types of damages associated with the machinery, equipment or firefighting, are not the subject of this thesis). The conclusions are discussed especially in IACS and IMO, in order to establish appropriate applications to improve the security of the vessels. The main objective of this thesis is to establish actions to improve emergency actions, resulting from different responses in the crisis, with the contribution of several solutions that improve the problems mentioned for three types of ships that we consider most important (passenger vessels, tankers and bulk carriers) The thesis runs from the beginning in 1995 to date, the evolution of the response on the crisis. The basics established during the 90s with the "safety culture" in order to implement a different philosophy to address the treatment of the safety of the ship, which was being previously implemented, as something singular and specific to each case. The new philosophy tried to analyse the problem from a global perspective, doing an exhaustive study of the consequences of the implementation of the new regulation in the ship systems and equipment related to the design, configuration and operation of the vessel. Extensive investigations which led to the above are described, many of them being linked to major European projects. Most of these projects were funded by the European Union during the first decade of this century. Within these investigations, which it must be highlighted the participation of all players in the European maritime sector, a necessity to use two new tools for our industry, such as the "Risk Assessment" and "Safety Assessment" whose principles are also included in the thesis. The intact and damage stability principles are established including new concepts, never treated before, as the "critical height of water on deck" for which the ship would sink without remission, "sea state" where the damaged vessel can be found, calculation of capsizing time, or other aspects such cargo shifting or treatment of dynamic problems in the new Intact Stability Code in development. Regarding the structural strength, it has to be especially considered the study of the "residual strength after damage", which takes into account the state of the sea where the vessel damaged can be found. Ship types mentioned are analysed one by one, as a fundamental contribution of this thesis, different actions and proposals are established to apply to these types of vessels. First, those ones relating to the design and configuration of the vessel and also the ones related to the operation and maintenance in order to support successfully responses to emergency situations which may occur in extreme situations. Some of the proposals are applied specifically to a RoRo passenger ship, an oil tanker and a bulkcarrier, to demonstrate the improved performance of these vessels damaged. An example for each type vessel has been chosen, carrying out stability and longitudinal strength calculations comparing the situation of the ship before and after damage. The thesis is completed with incidents statics for each of these three types, distinguishing the type of incident and the number of ships having it. The most important incidents considered are the ones related to groundings, collisions and fire being this other relevant contribution of this thesis.