Caracteritació de models funcionals d'àmfores romanes mitjançant Finite Element Analysis

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada al Laboratory of Archaeometry del National Centre of Scientific Research “Demokritos” d’Atenes, Grècia, entre juny i setembre 2006. Aquest estudi s’emmarca dins d’un context més ampli d’estudi del canvi tecnològic que es documenta en la producció d’àmfores de tipologia romana durant els segles I aC i I dC en els territoris costaners de Catalunya. Una part d’aquest estudi contempla el càlcul de les propietats mecàniques d’aquestes àmfores i la seva avaluació en funció de la tipologia amforal, a partir de l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF). L’AEF és una aproximació numèrica que té el seu origen en les ciències d’enginyeria i que ha estat emprada per estimar el comportament mecànic d’un model en termes, per exemple, de deformació i estrès. Així, un objecte, o millor dit el seu model, es dividit en sub-dominis anomenats elements finits, als quals se’ls atribueixen les propietats mecàniques del material en estudi. Aquests elements finits estan connectats formant una xarxa amb constriccions que pot ser definida. En el cas d’aplicar una força determinada a un model, el comportament de l’objecte pot ser estimat mitjançant el conjunt d’equacions lineals que defineixen el rendiment dels elements finits, proporcionant una bona aproximació per a la descripció de la deformació estructural. Així, aquesta simulació per ordinador suposa una important eina per entendre la funcionalitat de ceràmiques arqueològiques. Aquest procediment representa un model quantitatiu per predir el trencament de l’objecte ceràmic quan aquest és sotmès a diferents condicions de pressió. Aquest model ha estat aplicat a diferents tipologies amforals. Els resultats preliminars mostren diferències significatives entre la tipologia pre-romana i les tipologies romanes, així com entre els mateixos dissenys amforals romans, d’importants implicacions arqueològiques.

Finite Element Analysis of Electrically Excited Quartz Tuning Fork Devices

Quartz Tuning Fork (QTF)-based Scanning Probe Microscopy (SPM) is an important field of research. A suitable model for the QTF is important to obtain quantitative measurements with these devices. Analytical models have the limitation of being based on the double cantilever configuration. In this paper, we present an electromechanical finite element model of the QTF electrically excited with two free prongs. The model goes beyond the state-of-the-art of numerical simulations currently found in the literature for this QTF configuration. We present the first numerical analysis of both the electrical and mechanical behavior of QTF devices. Experimental measurements obtained with 10 units of the same model of QTF validate the finite element model with a good agreement.

Simulación de fluidos inmiscibles con el Particle Finite Element Method (PFEM)

Proyecto de investigación realizado a partir de una estancia en el Centro Internacional de Métodos Computacionales en Ingeniería (CIMEC), Argentina, entre febrero y abril del 2007. La simulación numérica de problemas de mezclas mediante el Particle Finite Element Method (PFEM) es el marco de estudio de una futura tesis doctoral. Éste es un método desarrollado conjuntamente por el CIMEC y el Centre Internacional de Mètodos Numèrics en l'Enginyeria (CIMNE-UPC), basado en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes en formulación Lagrangiana. El mallador ha sido implementado y desarrollado por Dr. Nestor Calvo, investigador del CIMEC. El desarrollo del módulo de cálculo corresponde al trabajo de tesis de la beneficiaria. La correcta interacción entre ambas partes es fundamental para obtener resultados válidos. En esta memoria se explican los principales aspectos del mallador que fueron modificados (criterios de refinamiento geométrico) y los cambios introducidos en el módulo de cálculo (librería PETSc, algoritmo predictor-corrector) durante la estancia en el CIMEC. Por último, se muestran los resultados obtenidos en un problema de dos fluidos inmiscibles con transferencia de calor.

A mixed finite element method for nonlinear diffusion equations

We propose a mixed finite element method for a class of nonlinear diffusion equations, which is based on their interpretation as gradient flows in optimal transportation metrics. We introduce an appropriate linearization of the optimal transport problem, which leads to a mixed symmetric formulation. This formulation preserves the maximum principle in case of the semi-discrete scheme as well as the fully discrete scheme for a certain class of problems. In addition solutions of the mixed formulation maintain exponential convergence in the relative entropy towards the steady state in case of a nonlinear Fokker-Planck equation with uniformly convex potential. We demonstrate the behavior of the proposed scheme with 2D simulations of the porous medium equations and blow-up questions in the Patlak-Keller-Segel model.

A time-domain method for the analysis of thermal impedance response preserving the convolution form

The study of the thermal behavior of complex packages as multichip modules (MCM¿s) is usually carried out by measuring the so-called thermal impedance response, that is: the transient temperature after a power step. From the analysis of this signal, the thermal frequency response can be estimated, and consequently, compact thermal models may be extracted. We present a method to obtain an estimate of the time constant distribution underlying the observed transient. The method is based on an iterative deconvolution that produces an approximation to the time constant spectrum while preserving a convenient convolution form. This method is applied to the obtained thermal response of a microstructure as analyzed by finite element method as well as to the measured thermal response of a transistor array integrated circuit (IC) in a SMD package.

Finite mixture analysis of beauty-contest data using generalised beta distributions

This paper introduces a mixture model based on the beta distribution, without preestablishedmeans and variances, to analyze a large set of Beauty-Contest data obtainedfrom diverse groups of experiments (Bosch-Domenech et al. 2002). This model gives a bettert of the experimental data, and more precision to the hypothesis that a large proportionof individuals follow a common pattern of reasoning, described as iterated best reply (degenerate),than mixture models based on the normal distribution. The analysis shows thatthe means of the distributions across the groups of experiments are pretty stable, while theproportions of choices at dierent levels of reasoning vary across groups.

Una arqueometria del canvi tecnològic: producció i consum d'àmfores durant el canvi d'era en la zona nord de la costa catalana

L’objectiu de la recerca és definir un marc teòric i metodològic per a l’estudi del canvi tecnològic en Arqueologia. Aquest model posa èmfasi en caracteritzar els compromisos que configuren una tecnologia i avaluar-los en funció dels factors de situació —tècnics, econòmics, polítics, socials i ideològics. S’ha aplicat aquest model a un cas d’estudi concret: la producció d’àmfores romanes durant el canvi d’Era en la província Tarraconensis. L’estudi tecnològic dels envasos s’ha realitzat mitjançant diverses tècniques analítiques: Fluorescència de raigs X (FRX), Difracció de raigs X (DRX), Microscòpia òptica (MO) i Microscòpia electrònica de rastreig (MER). Les dades obtingudes permeten, a més, establir els grups de referència per a cada centre productor d’àmfores i, així, identificar la provinença dels individus recuperats en els centres consumidors. Donat que les àmfores en estudi són artefactes dissenyats específicament per a ser estibats en una nau i servir com a envàs de transport, l’estudi inclou la caracterització de les propietats mecàniques de resistència a la fractura i de tenacitat. En aquest sentit, i per primera vegada, s’ha aplicat l’Anàlisi d’Elements Finits (AEF) per a conèixer el comportament dels diferents dissenys d’àmfora en ésser sotmesos a diverses forces d’ús. L’AEF permet simular per ordinador les activitats en què les àmfores haurien participat durant el seu ús i avaluar-ne el seu comportament tècnic. Els resultats mostren una gran adequació entre les formulacions teòriques i el programa analític implementat per a aquest estudi. Respecte el cas d’estudi, els resultats mostren una gran variabilitat en les eleccions tecnològiques preses pels ceramistes de diferents tallers, però també al llarg del període de funcionament d’un mateix taller. L’aplicació del model ha permès proposar una explicació al canvi de disseny de les àmfores romanes.

Residual thermomechanical stresses in thinned-chip assemblies

A new technology for the three-dimensional (3-D) stacking of very thin chips on a substrate is currently under development within the ultrathin chip stacking (UTCS) Esprit Project 24910. In this work, we present the first-level UTCS structure and the analysis of the thermomechanical stresses produced by the manufacturing process. Chips are thinned up to 10 or 15 m. We discuss potentially critical points at the edges of the chips, the suppression of delamination problems of the peripheral dielectric matrix and produce a comparative study of several technological choices for the design of metallic interconnect structures. The purpose of these calculations is to give inputs for the definition of design rules for this technology. We have therefore undertaken a programme that analyzes the influence of sundry design parameters and alternative development options. Numerical analyses are based on the finite element method.

Thermal modeling and management in ultrathin chip stack technology

This paper presents a thermal modeling for power management of a new three-dimensional (3-D) thinned dies stacking process. Besides the high concentration of power dissipating sources, which is the direct consequence of the very interesting integration efficiency increase, this new ultra-compact packaging technology can suffer of the poor thermal conductivity (about 700 times smaller than silicon one) of the benzocyclobutene (BCB) used as both adhesive and planarization layers in each level of the stack. Thermal simulation was conducted using three-dimensional (3-D) FEM tool to analyze the specific behaviors in such stacked structure and to optimize the design rules. This study first describes the heat transfer limitation through the vertical path by examining particularly the case of the high dissipating sources under small area. First results of characterization in transient regime by means of dedicated test device mounted in single level structure are presented. For the design optimization, the thermal draining capabilities of a copper grid or full copper plate embedded in the intermediate layer of stacked structure are evaluated as a function of the technological parameters and the physical properties. It is shown an interest for the transverse heat extraction under the buffer devices dissipating most the power and generally localized in the peripheral zone, and for the temperature uniformization, by heat spreading mechanism, in the localized regions where the attachment of the thin die is altered. Finally, all conclusions of this analysis are used for the quantitative projections of the thermal performance of a first demonstrator based on a three-levels stacking structure for space application.

Disseny amforal i canvi tecnològic al voltant del canvi d'era: L'aportació de l'Anàlisi d'Elements Finits

[spa] Mediante el Análisis de Elementos Finitos es posible evaluar un diseño cerámico en función de su tipologia y de las propiedades mecánicas del material. Su aplicación permite considerar los factores tecnológicos que puedan haber condicionado el cambio de una tipologia cerámica. Este análisis se ilustra con los primeros tipos anfóricos romanos producidos en la actual Cataluña (Dressel 1, Tarraconense 1 y Pascuai 7).

Parametric analysis of different compact tension specimens for fracture toughness characterisation in woven composite materials

Estudi elaborat a partir d’una estada a l’ Imperial College London, entre juliol i novembre de 2006. En aquest treball s’ha investigat la geometria més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. L’objectiu és assegurar la propagació de l’esquerda sense que la proveta falli abans per cap altre mecanisme de dany per tal de permetre la caracterització experimental de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. Amb aquesta fi, s’ha dut a terme l’anàlisi paramètrica de diferents tipus de provetes mitjançant el mètode dels elements finits (FE) combinat amb la virtual crack closure technique (VCCT). Les geometries de les provetes analitzades corresponen a la proveta de l’assaig compact tension (CT) i diferents variacions com la extended compact tension (ECT), la proveta widened compact tension (WCT), tapered compact tension (TCT) i doubly-tapered compact tension (2TCT). Com a resultat d’aquestes anàlisis s’han derivat diferents conclusions per obtenir la geometria de proveta més apropiada per a la caracterització de la tenacitat a fractura intralaminar de materials compòsits laminats amb teixit. A més, també s’han dut a terme una sèrie d’assaigs experimentals per tal de validar els resultats de les anàlisis paramètriques. La concordança trobada entre els resultats numèrics i experimentals és bona tot i la presència d’efectes no previstos durant els assaigs experimentals.