Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

A Semantic Approach to Problem-Based Learning with Conceptual Models

El aprendizaje basado en problemas se lleva aplicando con éxito durante las últimas tres décadas en un amplio rango de entornos de aprendizaje. Este enfoque educacional consiste en proponer problemas a los estudiantes de forma que puedan aprender sobre un dominio particular mediante el desarrollo de soluciones a dichos problemas. Si esto se aplica al modelado de conocimiento, y en particular al basado en Razonamiento Cualitativo, las soluciones a los problemas pasan a ser modelos que representan el compotamiento del sistema dinámico propuesto. Por lo tanto, la tarea del estudiante en este caso es acercar su modelo inicial (su primer intento de representar el sistema) a los modelos objetivo que proporcionan soluciones al problema, a la vez que adquieren conocimiento sobre el dominio durante el proceso. En esta tesis proponemos KaiSem, un método que usa tecnologías y recursos semánticos para guiar a los estudiantes durante el proceso de modelado, ayudándoles a adquirir tanto conocimiento como sea posible sin la directa supervisión de un profesor. Dado que tanto estudiantes como profesores crean sus modelos de forma independiente, estos tendrán diferentes terminologías y estructuras, dando lugar a un conjunto de modelos altamente heterogéneo. Para lidiar con tal heterogeneidad, proporcionamos una técnica de anclaje semántico para determinar, de forma automática, enlaces entre la terminología libre usada por los estudiantes y algunos vocabularios disponibles en la Web de Datos, facilitando con ello la interoperabilidad y posterior alineación de modelos. Por último, proporcionamos una técnica de feedback semántico para comparar los modelos ya alineados y generar feedback basado en las posibles discrepancias entre ellos. Este feedback es comunicado en forma de sugerencias individualizadas que el estudiante puede utilizar para acercar su modelo a los modelos objetivos en cuanto a su terminología y estructura se refiere. ABSTRACT Problem-based learning has been successfully applied over the last three decades to a diverse range of learning environments. This educational approach consists of posing problems to learners, so they can learn about a particular domain by developing solutions to them. When applied to conceptual modeling, and particularly to Qualitative Reasoning, the solutions to problems are models that represent the behavior of a dynamic system. Therefore, the learner's task is to move from their initial model, as their first attempt to represent the system, to the target models that provide solutions to that problem while acquiring domain knowledge in the process. In this thesis we propose KaiSem, a method for using semantic technologies and resources to scaffold the modeling process, helping the learners to acquire as much domain knowledge as possible without direct supervision from the teacher. Since learners and experts create their models independently, these will have different terminologies and structure, giving rise to a pool of models highly heterogeneous. To deal with such heterogeneity, we provide a semantic grounding technique to automatically determine links between the unrestricted terminology used by learners and some online vocabularies of the Web of Data, thus facilitating the interoperability and later alignment of the models. Lastly, we provide a semantic-based feedback technique to compare the aligned models and generate feedback based on the possible discrepancies. This feedback is communicated in the form of individualized suggestions, which can be used by the learner to bring their model closer in terminology and structure to the target models.

Turbulence models of gravitational clustering.

Large-scale structure formation can be modeled as a nonlinear process that transfers energy from the largest scales to successively smaller scales until it is dissipated, in analogy with Kolmogorov’s cascade model of incompressible turbulence. However, cosmic turbulence is very compressible, and vorticity plays a secondary role in it. The simplest model of cosmic turbulence is the adhesion model, which can be studied perturbatively or adapting to it Kolmogorov’s non-perturbative approach to incompressible turbulence. This approach leads to observationally testable predictions, e.g., to the power-law exponent of the matter density two-point correlation function.

Assembling models of embryo development: Image analysis and the construction of digital atlases

Digital atlases of animal development provide a quantitative description of morphogenesis, opening the path toward processes modeling. Prototypic atlases offer a data integration framework where to gather information from cohorts of individuals with phenotypic variability. Relevant information for further theoretical reconstruction includes measurements in time and space for cell behaviors and gene expression. The latter as well as data integration in a prototypic model, rely on image processing strategies. Developing the tools to integrate and analyze biological multidimensional data are highly relevant for assessing chemical toxicity or performing drugs preclinical testing. This article surveys some of the most prominent efforts to assemble these prototypes, categorizes them according to salient criteria and discusses the key questions in the field and the future challenges toward the reconstruction of multiscale dynamics in model organisms.

Conceptual design of the liquid metal laboratory of the TECHNOFUSION facility

The application of liquid metal technology in fusion devices requires R&D related to many phenomena: interaction between liquid metals and structural material as corrosion, erosion and passivation techniques; magneto-hydrodynamics; free surface fluid-dynamics and any other physical aspect that will be needed for their safe reliable operation. In particular, there is a significant shortage of experimental facilities dedicated to the development of the lithium technology. In the framework of the TECHNOFUSION project, an experimental laboratory devoted to the lithium technology development is proposed, in order to shed some light in the path to IFMIF and the design of chamber's first wall and divertors. The conceptual design foresee a development in two stages, the first one consisting on a material testing loop. The second stage proposes the construction of a mock-up of the IFMIF target that will allow to assess the behaviour of a free-surface lithium target under vacuum conditions. In this paper, such conceptual design is addressed.

Conceptual design of liquid lithium laboratory in the TECHNOFUSION project

The Technofusion project involves the construction of a relevant set of scientific technical facilities in Madrid, providing new tools to fusion energy community.

Evaluation and improvement of empirical models of global solar irradiation: Case study northern Spain

This paper presents a new methodology to build parametric models to estimate global solar irradiation adjusted to specific on-site characteristics based on the evaluation of variable im- portance. Thus, those variables higly correlated to solar irradiation on a site are implemented in the model and therefore, different models might be proposed under different climates. This methodology is applied in a study case in La Rioja region (northern Spain). A new model is proposed and evaluated on stability and accuracy against a review of twenty-two already exist- ing parametric models based on temperatures and rainfall in seventeen meteorological stations in La Rioja. The methodology of model evaluation is based on bootstrapping, which leads to achieve a high level of confidence in model calibration and validation from short time series (in this case five years, from 2007 to 2011). The model proposed improves the estimates of the other twenty-two models with average mean absolute error (MAE) of 2.195 MJ/m2 day and average confidence interval width (95% C.I., n=100) of 0.261 MJ/m2 day. 41.65% of the daily residuals in the case of SIAR and 20.12% in that of SOS Rioja fall within the uncertainty tolerance of the pyranometers of the two networks (10% and 5%, respectively). Relative differences between measured and estimated irradiation on an annual cumulative basis are below 4.82%. Thus, the proposed model might be useful to estimate annual sums of global solar irradiation, reaching insignificant differences between measurements from pyranometers.

Towards a conceptual remodeling of information technologies based on a broad consideration of complexity

Actas.

Conceptual design of the beryllium rotating target for the ESS-Bilbao facility

The ESS-Bilbao facility, hosted by the University of the Basque Country (UPV/EHU), envisages the operation of a high-current proton accelerator delivering beams with energies up to 50 MeV. The time-averaged proton current will be 2.25 mA, delivered by 1.5 ms proton pulses with a repetition rate of 20 Hz. This beam will feed a neutron source based upon the Be (p,n) reaction, which will enable the provision of relevant neutron experimentation capabilities. The neutron source baseline concept consists in a rotating beryllium target cooled by water. The target structure will comprise a rotatable disk made of 6061-T6 aluminium alloy holding 20 beryllium plates. Heat dissipation from the target relies upon a distribution of coolant-flow channels. The practical implementation of such a concept is here described with emphasis put on the beryllium plates thermo-mechanical optimization, the chosen coolant distribution system as well as the mechanical behavior of the assembly.

Characterization of ICT-based business models of social enterprises

In recent years new models for organizations working on overty alleviation have emerged. One of them, the social enterprise, has attracted the attention of both academics and practitioners all over the world. Even if defined in different ways depending on the context, social enterprise has an enormous potential to generate social benefits and to promote local agency and private initiative in poverty alleviation. In this sense, it is fitting to highlight the importance of identifying the main standards that permit the characterization of diverse social enterprises, in order to understand their main specificities and guarantee value generation for low-income populations. Another crucial factor is understanding innovation as a critical factor in promoting social enterprises. A powerful tool to enhance the impact and application of this model is Information and Communication Technologies. In the 21st century,these tools allow users to find new ways of collaboration, new sustainable business models and a cost-effective way of scaling-up initiatives. This paper, a product of the collaborative research between the Universidad Politécnica de Madrid and the Universidade Federal Fluminense, examines different business models for social enterprises and the role that ICT can play in scale and impact of these initiatives

Brain injury MRI simulator based on theoretical models of neuroanatomic damage

In order to improve the body of knowledge about brain injury impairment is essential to develop image database with different types of injuries. This paper proposes a new methodology to model three types of brain injury: stroke, tumor and traumatic brain injury; and implements a system to navigate among simulated MRI studies. These studies can be used on research studies, to validate new processing methods and as an educational tool, to show different types of brain injury and how they affect to neuroanatomic structures.

A review and a conceptual framework of the key value drivers of mass customisation

The aim of this paper is to conceptualise the key value drivers of mass customisation in order to provide a structured approach to explain the added value that customers attribute to mass customised products. We assume that the added value of mass customisation is ultimately reflected in an increased willingness to pay. Previous studies show diverse results concerning customers' willingness to pay for mass customised products. We contribute to the existing body of research by suggesting and discussing the influence of general product characteristics and factors of the mass customisation approach on the key value drivers of mass customisation. Furthermore, the development of a conceptual framework offers explanations for the dissimilarity in customers' willingness to pay and advances the knowledge about the value increment of mass customised products as perceived by customers.

Proposal for the Conceptual Design of Aeronautical Final Assembly Lines Based on the Industrial Digital Mock-Up Concept

The design of a Final Assembly Line (FAL) is carry out in the product industrialization activity. The phase dealing with the definition of conceptual solutions is characterized by depending heavily on the personnel experience and being time-consuming. To enhance such process, it is proposed a development of a knowledge based software application to assist designers in the definition of scenarios and to generate conceptual FAL alternatives. Both the scenario and the generated FAL solution are part of the industrialization digital mock-up (IDMU). A commercial software application used in the aircraft programmes and supporting the IDMU concepts of: Product, Process and Resource; was selected to implement a software prototype. This communication presents the adopted methodological approach and the architecture of the developed application.

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

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

An integrated approach to conceptual design of arch bridges with curved deck

El concepto de funicularidad se puede extender a estructuras lineales espaciales como, por ejemplo, los puentes arco con tablero curvo. Estas estructuras, especialmente pasarelas peatonales, son consecuencia de la necesidad de encajar trazados exigentes y de dar respuesta a nuevas demandas arquitectónicas. En las estructuras curvas el diseño conceptual juega un papel absolutamente esencial. Siempre ha sido así, pero en el caso presente, cabe resaltar que una errónea elección de la geometría conlleva una serie de problemas que se irán acumulando a lo largo del proceso de proyecto, de la construcción y de la vida de la estructura. En este trabajo se presenta SOFIA (Shaping Optimal Form with an Interactive Approach), una herramienta capaz de, conocida la geometría del tablero, de buscar automáticamente la forma del arco antifunicular correspondiente. El planteamiento seguido es conceptualmente el mismo que el utilizado en la búsqueda de formas óptimas en estructuras en dos dimensiones: el arco antifunicular es el que representa, para unas cargas dadas, el lugar geométrico de los puntos con momento flector nulo. La herramienta ha sido desarrollada en un entorno integrado, interactivo y paramético. Su implementación está ilustrada y unos ejemplos de análisis paramétricos están desarrollados. La posición transversal relativa entre tablero y arco ha sido investigada para obtener la configuración del puente estructuralmente más eficiente. Las pasarelas curvas se han convertido en un problema de ingeniería más común de lo habitual en el contexto de los desarrollos urbanos cuando el cliente está buscando un fuerte componente estético: un diseño conceptual adecuado permite obtener una estructura eficiente y elegante. Spatial arch bridges represent an innovative answer to demands on functionality, structural optimization and aesthetics for curved decks, popular in urban contexts. This thesis presents SOFIA (Shaping Optimal Form with an Interactive Approach), a methodology for conceptual designing of antifunicular spatial arch bridges with curved deck in a parametric, interactive and integrated environment. The approach and its implementation are in-depth described and detailed examples of parametric analyses are illustrated. The optimal deck-arch relative transversal position has been investigated for obtaining the most cost-effective bridge. Curved footbridges have become a more common engineering problem in the context of urban developments when the client is looking for a strong aesthetics component: an appropriate conceptual design allows to obtain an efficient and elegant structure.