Surgical correction of scoliosis: Numerical analysis and optimization of the procedure

A previously developed model is used to numerically simulate real clinical cases of the surgical correction of scoliosis. This model consists of one-dimensional finite elements with spatial deformation in which (i) the column is represented by its axis; (ii) the vertebrae are assumed to be rigid; and (iii) the deformability of the column is concentrated in springs that connect the successive rigid elements. The metallic rods used for the surgical correction are modeled by beam elements with linear elastic behavior. To obtain the forces at the connections between the metallic rods and the vertebrae geometrically, non-linear finite element analyses are performed. The tightening sequence determines the magnitude of the forces applied to the patient column, and it is desirable to keep those forces as small as possible. In this study, a Genetic Algorithm optimization is applied to this model in order to determine the sequence that minimizes the corrective forces applied during the surgery. This amounts to find the optimal permutation of integers 1, ... , n, n being the number of vertebrae involved. As such, we are faced with a combinatorial optimization problem isomorph to the Traveling Salesman Problem. The fitness evaluation requires one computing intensive Finite Element Analysis per candidate solution and, thus, a parallel implementation of the Genetic Algorithm is developed.

Simulação numérica do comportamento dinâmico de uma laje

Nesta dissertação pretende-se simular o comportamento dinâmico de uma laje de betão armado aplicando o Método de Elementos Finitos através da sua implementação no programa FreeFEM++. Este programa permite-nos a análise do modelo matemático tridimensional da Teoria da Elasticidade Linear, englobando a Equação de Equilíbrio, Equação de Compatibilidade e Relações Constitutivas. Tratando-se de um problema dinâmico é necessário recorrer a métodos numéricos de Integração Directa de modo a obter a resposta em termos de deslocamento ao longo do tempo. Para este trabalho escolhemos o Método de Newmark e o Método de Euler para a discretização temporal, um pela sua popularidade e o outro pela sua simplicidade de implementação. Os resultados obtidos pelo FreeFEM++ são validados através da comparação com resultados adquiridos a partir do SAP2000 e de Soluções Teóricas, quando possível.

Optimization of cruciform specimens for biaxial fatigue loading with direct multi search

In order to correctly assess the biaxial fatigue material properties one must experimentally test different load conditions and stress levels. With the rise of new in-plane biaxial fatigue testing machines, using smaller and more efficient electrical motors, instead of the conventional hydraulic machines, it is necessary to reduce the specimen size and to ensure that the specimen geometry is appropriate for the load capacity installed. At the present time there are no standard specimen's geometries and the indications on literature how to design an efficient test specimen are insufficient. The main goal of this paper is to present the methodology on how to obtain an optimal cruciform specimen geometry, with thickness reduction in the gauge area, appropriate for fatigue crack initiation, as a function of the base material sheet thickness used to build the specimen. The geometry is optimized for maximum stress using several parameters, ensuring that in the gauge area the stress distributions on the loading directions are uniform and maximum with two limit phase shift loading conditions (delta = 0 degrees and (delta = 180 degrees). Therefore the fatigue damage will always initiate on the center of the specimen, avoiding failure outside this region. Using the Renard Series of preferred numbers for the base material sheet thickness as a reference, the reaming geometry parameters are optimized using a derivative-free methodology, called direct multi search (DMS) method. The final optimal geometry as a function of the base material sheet thickness is proposed, as a guide line for cruciform specimens design, and as a possible contribution for a future standard on in-plane biaxial fatigue tests

Análise do comportamento sísmico da barragem de Luzzone: desenvolvimento de um programa de EF3D utilizando uma formulação em deslocamentos e pressões

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo entre o ISEL e o LNEC

Projeto de fundações e estrutura de um edifício em Lisboa

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

Dimensionamento de um edifício destinado a centro de dia para idosos e creche

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização em Estruturas

A generalized notion of compliance

It is a known fact in structural optimization that for structures subject to prescribed non-zero displacements the work done by the loads is not agood measure of compliance, neither is the stored elastic energy. We briefly discuss a possible alternative measure of compliance, valid for general boundary conditions. We also present the adjoint states (necessary for the computation of the structural derivative) for the three functionals under consideration. (C) 2011 Academie des sciences. Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.

Análise estática não linear de um edifício em betão armado

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil

Scaling of the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal on a sawtoothed substrate

We characterize the elastic contribution to the surface free energy of a nematic liquid crystal in the presence of a sawtooth substrate. Our findings are based on numerical minimization of the Landau-de Gennes model and analytical calculations on the Frank-Oseen theory. The nucleation of disclination lines (characterized by non-half-integer winding numbers) in the wedges and apexes of the substrate induces a leading order proportional to q ln q to the elastic contribution to the surface free-energy density, with q being the wave number associated with the substrate periodicity.

Simulação numérica do comportamento de lajes: aplicação do método dos elementos finitos a problemas tridimensionais de elasticidade linear usando o freeFEM++

O presente trabalho entende a dedução das Equações de Compatibilidade, Equilíbrio, bem como as Leis Constitutivas, de modo a resolver numericamente problemas de Elasticidade Linear formulados para Lajes de Betão. A solução numérica é obtida usando o Método dos Elementos Finitos, implementado em freeFEM++, e comparada com os resultados conseguidos no SAP2000 e com os dados tabelados nas Tabelas de Barès, validando-se desta forma os modelos implementados através do freeFEM++.

Sistema de movimentação linear extensível com accionamentos electromecânicos sincronizados

Esta dissertação tem como objectivo estudar uma solução mecânica e eléctrica que permita anular o tempo de uma operação de não produção numa linha de prensagem instalada numa fábrica de indústria automóvel, a Autoeuropa. No início desta dissertação começa-se por encontrar uma solução de movimentadores telescópicos compatíveis com as restrições de espaço, os requisitos de sincronismo entre ambos e os objectivos de anulação do tempo de não operação. Seguidamente passou-se a uma fase de modelação do sistema mecânico, para permitir estudar o comportamento dinâmico do sistema proposto. Encontrado o movimentador mecânico adequado e feita a sua modelação foram estudadas possíveis soluções para o accionar, bem como formas de o controlar. Este sistema multimáquina foi estudado com dois tipos de máquinas eléctricas e métodos de controlo devido a necessitar de uma dinâmica bastante rápida, com exigência de grande sincronismo entre os dois movimentadores separados, e ainda com vista a tentar explorar a possibilidade de ter menor número de variadores electrónicos do que de máquinas eléctricas. Para tal recorreu-se ao ambiente Matlab para modelar e simular todo o sistema proposto nas suas variantes. Por fim são extraídas diversas conclusões, procurando-se clarificar a viabilidade da ideia e escolher a melhor opção de accionamento. No caso estudado, como o objectivo futuro é aplicar a solução proposta num ambiente industrial definido, há que ter em atenção não só a melhor opção técnica mas também o preço.

Toplological Entropy in the Syncronization of Piecewise Linear and Monotone Maps. Coupled Duffing Oscillators

In this paper is presented a relationship between the synchronization and the topological entropy. We obtain the values for the coupling parameter, in terms of the topological entropy, to achieve synchronization of two unidirectional and bidirectional coupled piecewise linear maps. In addition, we prove a result that relates the synchronizability of two m-modal maps with the synchronizability of two conjugated piecewise linear maps. An application to the unidirectional and bidirectional coupled identical chaotic Duffing equations is given. We discuss the complete synchronization of two identical double-well Duffing oscillators, from the point of view of symbolic dynamics. Working with Poincare cross-sections and the return maps associated, the synchronization of the two oscillators, in terms of the coupling strength, is characterized.

Mathematical modeling of pressurized system behaviour with entrapped air

The presence of entrapped air in pressurized hydraulic systems is considered a critical condition for the infrastructure security, due to the transient pressure enhancement related with its dynamic behaviour, similar to non-linear spring action. A mathematical model for the assessment of hydraulic transients resulting from rapid pressurizations, under referred condition is presented. Water movement was modeled through the elastic column theory considering a moving liquid boundary and the entrapped air pocket as lumped gas mass, where the acoustic effects are negligible. The method of characteristics was used to obtain the numerical solution of the liquid flow. The resulting model is applied to an experimental set-up having entrapped air in the top of a vertical pipe section and the numerical results are analyzed.

Projecto de um regulador linear de tensão: LDO

Os reguladores de tensão LDO são utilizados intensivamente na actual indústria de electrónica, são uma parte essencial de um bloco de gestão de potência para um SoC. O aumento de produtos portáteis alimentados por baterias levou ao crescimento de soluções totalmente integradas, o que degrada o rendimento dos blocos analógicos que o constituem face às perturbações introduzidas na alimentação. Desta forma, surge a necessidade de procurar soluções cada vez mais optimizadas, impondo assim novas soluções, e/ou melhoramentos dos circuitos de gestão de potência, tendo como objectivo final o aumento do desempenho e da autonomia dos dispositivos electrónicos. Normalmente este tipo de reguladores tem a corrente de saída limitada, devido a problemas de estabilidade associados. Numa tentativa de evitar a instabilidade para as correntes de carga definidas e aumentar o PSRR do mesmo, é apresentado um método de implementação que tem como objectivo melhorar estas características, em que se pretende aumentar o rendimento e melhorar a resposta à variação da carga. No entanto, a técnica apresentada utiliza polarização adaptativa do estágio de potência, o que implica um aumento da corrente de consumo. O regulador LDO foi implementado na tecnologia CMOS UMC 0.18μm e ocupa uma área inferior a 0,2mm2. Os resultados da simulação mostram que o mesmo suporta uma transição de corrente 10μA para 100mA, com uma queda de tensão entre a tensão de alimentação e a tensão de saída inferior a 200mV. A estabilidade é assegurada para todas as correntes de carga. O tempo de estabelecimento é inferior a 6μs e as variações da tensão de saída relativamente a seu valor nominal são inferiores a 5mV. A corrente de consumo varia entre os 140μA até 200μA, o que permite atingir as especificações proposta para um PSRR de 40dB@10kHz.

Angular and linear accelerations of a rolling cylinder acted by an external force

The dynamics of a cylinder rolling on a horizontal plane acted on by an external force applied at an arbitrary angle is studied with emphasis on the directions of the acceleration of the centre-of-mass and the angular acceleration of the body. If rolling occurs without slipping, there is a relationship between the directions of these accelerations. If the linear acceleration points to the right, then the angular acceleration is clockwise. On the other hand, if it points to the left, then the angular acceleration is counterclockwise. In contrast, if rolling and slipping occurs, the direction of the linear acceleration does not determine the direction of the angular acceleration. For example, the linear acceleration may point to the right and the angular acceleration clockwise or counterclockwise depending on the external force orientation and point of application.