Generalizations of Poisson Structures Related to Rational Gaudin Model

International audience

Precise optical characterization of SNAP structures with a reference fiber

A method of precise characterization of surface nanoscale axial photonics (SNAP) structures with a reference fiber is proposed, analyzed, and demonstrated experimentally. The method is based on simultaneous coupling of a microfiber to a SNAP structure under test and to a reference optical fiber. Significant reduction of measurement errors associated with the environmental temperature variations and technical noise of the spectrum analyzer is demonstrated. The achieved measurement precision of the effective radius variation of the SNAP structure is 0.2 Å.

Design of maintenance structures for rural electrification with solar home systems. The case of the Moroccan program.

n decentralised rural electrification through solar home systems, private companies and promoting institutions are faced with the problem of deploying maintenance structures to operate and guarantee the service of the solar systems for long periods (ten years or more). The problems linked to decentralisation, such as the dispersion of dwellings, difficult access and maintenance needs, makes it an arduous task. This paper proposes an innovative design tool created ad hoc for photovoltaic rural electrification based on a real photovoltaic rural electrification program in Morocco as a special case study. The tool is developed from a mathematical model comprising a set of decision variables (location, transport, etc.) that must meet certain constraints and whose optimisation criterion is the minimum cost of the operation and maintenance activity assuming an established quality of service. The main output of the model is the overall cost of the maintenance structure. The best location for the local maintenance headquarters and warehouses in a given region is established, as are the number of maintenance technicians and vehicles required.

Qualification of optical fiber sensors for the structural health monitoring of aerospace structures

In recent years, composite materials have revolutionized the design of many structures. Their superior mechanical properties and light weight make composites convenient over traditional metal structures for many applications. However, composite materials are susceptible to complex and challenging to predict damage behaviors due to their anisotropy nature. Therefore, structural Health Monitoring (SHM) can be a valuable tool to assess the damage and understand the physics underneath. Distributed Optical Fiber Sensors (DOFS) can be used to monitor several types of damage in composites. However, their implementation outside academia is still unsatisfactory. One of the hindrances is the lack of a rigorous methodology for uncertainty quantification, which is essential for the performance assessment of the monitoring system. The concept of Probability of Detection (POD) must function as the guiding light in this process. However, precautions must be taken since this tool was established for Non-Destructive Evaluation (NDE) rather than Structural Health Monitoring (SHM). In addition, although DOFS have been the object of numerous studies, a well-established POD methodology for their performance assessment is still missing. This thesis aims to develop a methodology to produce POD curves for DOFS in composite materials. The problem is analyzed considering several critical points, such as the strain transfer characterizing the DOFS and the development of an experimental and model-assisted methodology to understand the parameters that affect the DOFS performance.

Radiation characteristics enhancement of planar structures using metasurfaces

In this thesis, the focus is on utilizing metasurfaces to improve radiation characteristics of planar structures. The study encompasses various aspects of metasurface applications, including enhancing antenna radiation characteristics and manipulating electromagnetic (EM) waves, such as polarization conversion and anomalous reflection. The thesis introduces the design of a single-port antenna with dual-mode operation, integrating metasurfaces. This antenna serves as the front-end for a next-generation tag, functioning as a position sensor with identification and energy harvesting capabilities. It operates in the lower European Ultra-Wideband (UWB) frequency range for communication/localization and the UHF band for wireless energy reception. The design aims for a low-profile stack-up that remains unaffected by background materials. Researchers worldwide are drawn to metasurfaces due to their EM wave manipulation capabilities. The thesis also demonstrates how a High-Impedance Surface (HIS) can enhance the antenna's versatility through metasurface application, including conformal design using 3D-printing technology, ensuring adaptability for various deformation and tracking/powering scenarios. Additionally, the thesis explores two distinct metasurface applications. One involves designing an angularly stable super-wideband Circular Polarization Converter (CPC) operating from 11 to 35GHz with an impressive relative impedance bandwidth of 104.3%. The CPC shows a stable response even at oblique incidences up to 40 degrees, with a Peak Cross-Polarization Ratio (PCR) exceeding 62% across the entire band. The second application focuses on an Intelligent Reflective Surface (IRS) capable of redirecting incoming waves in unconventional directions. Tunability is achieved through an artificially developed ferroelectric material (HfZrO) and distributed capacitive elements (IDC) to fine-tune impedance and phase responses at the meta-atom level. The IRS demonstrates anomalous reflection for normal incident waves. These innovative applications of metasurfaces offer promising advancements in antenna design, EM wave manipulation, and versatile wireless communication systems.

Design for uncertainty of aerospace structures

The aim of this work is to present a general overview of state-of-the-art related to design for uncertainty with a focus on aerospace structures. In particular, a simulation on a FCCZ lattice cell and on the profile shape of a nozzle will be performed. Optimization under uncertainty is characterized by the need to make decisions without complete knowledge of the problem data. When dealing with a complex problem, non-linearity, or optimization, two main issues are raised: the uncertainty of the feasibility of the solution and the uncertainty of the objective value of the function. In the first part, the Design Of Experiments (DOE) methodologies, Uncertainty Quantification (UQ), and then Uncertainty optimization will be deepened. The second part will show an application of the previous theories on through a commercial software. Nowadays multiobjective optimization on high non-linear problem can be a powerful tool to approach new concept solutions or to develop cutting-edge design. In this thesis an effective improvement have been reached on a rocket nozzle. Future work could include the introduction of multi scale modelling, multiphysics approach and every strategy useful to simulate as much possible real operative condition of the studied design.

Data analysis and hydrological modelling of rainfall and discharge extremes along the Tione River: implications for the design of water structures

There are many natural events that can negatively affect the urban ecosystem, but weather-climate variations are certainly among the most significant. The history of settlements has been characterized by extreme events like earthquakes and floods, which repeat themselves at different times, causing extensive damage to the built heritage on a structural and urban scale. Changes in climate also alter various climatic subsystems, changing rainfall regimes and hydrological cycles, increasing the frequency and intensity of extreme precipitation events (heavy rainfall).  From an hydrological risk perspective, it is crucial to understand future events that could occur and their magnitude in order to design safer infrastructures. Unfortunately, it is not easy to understand future scenarios as the complexity of climate is enormous.  For this thesis, precipitation and discharge extremes were primarily used as data sources. It is important to underline that the two data sets are not separated: changes in rainfall regime, due to climate change, could significantly affect overflows into receiving water bodies. It is imperative that we understand and model climate change effects on water structures to support the development of adaptation strategies.   The main purpose of this thesis is to search for suitable water structures for a road located along the Tione River. Therefore, through the analysis of the area from a hydrological point of view, we aim to guarantee the safety of the infrastructure over time.   The observations made have the purpose to underline how models such as a stochastic one can improve the quality of an analysis for design purposes, and influence choices.

Laivan hitsattujen runkorakenteiden ainettarikkomattoman tarkastuksen ohjauksen ja valvonnan kehittäminen

Laivan rungonvalmistuksen laadunvarmistuksessa käytetään viranomaisten valvomia NDT-tarkastuksia vaatimustenmukaisuuden varmistamiseksi. Yleisimmin käytettävät NDT-tarkastusmenetelmät laivanrakennuksessa ovat visuaali-, röntgen-, ultraääni-, magneettijauhe- ja tunkeumanestetarkastukset. Diplomityön tavoitteena oli kehittää laivan hitsattujen runkorakenteiden ainettarikkomattoman tarkastuksen ohjausta ja valvontaa Aker Finnyards:n Turun telakalla. Työn alussa selvitettiin NDT-tarkastuksen ohjauksen ja valvonnannykytila ja tunnistettiin kehityskohteita. Tutkimusmenetelminä käytettiin työnmittausta ja havainnointitutkimusta. Merkittävimmiksi kehityskohteiksi havaittiinyleinen epätietoisuus NDT-tarkastuksista laivan runkoprosessissa, selkeän NDT-tarkastusten ohjausjärjestelmän puuttuminen sekä puutteellinen valvonta. Kehityskohteiden tunnistamisen perusteella luotiin toimintamalli NDT-tarkastusten ohjauksen ja valvonnan kehittämiseksi. Toimintamallissa on kuvattuna NDT-tarkastusprosessin tekijät ja informaatiovirrat. Toimintamalli on tarvittaessa päivitettävissä.

Väsymismitoitusperusteiden ja kuormitusten määrittäminen hitsatuille sekoitinakseleille

Työssä selvitettiin vastusvenymäliuskamittausten avulla sekoitinakselin kuormitukset sekä perehdyttiin väsymisilmiöön ja hitsattujen rakenteiden väsymismitoitukseen. Kuormitusten mittauksessa rekisteröitiin akselin kriittisen kohdan taivutus- ja vääntövenymät. Mittaustulosten avulla tutkittiin kuormituksia ja kuormitusten luonnetta sekä johdettiin väsymismitoitusperusteet sekoitinakseleille. Väsymismitoitus perustuu kahteen eri menetelmään. Vakioamplitudiseen väsymisrajaan perustuvassa menetelmässä vaihtuva-amplitudisella jännityksellä suurinkin jännitysheilahdus jää väsymisrajan alle. Kokonaisväsymisvaurioon perustuvassa mitoituksessa puolestaan sallitaan vakioamplitudisen väsymisrajan ylitys. Kestoikä on käytetty loppuun, kun väsymisvaurio saavuttaa väsymiskestävyyden arvon. Menetelmän valinta riippuu käytettävästä sekoitinelintyypistä ja käytön aikana ilmenevistä väsymisen kannalta vaarallisista tilanteista.

Hitsatun rakenteen lujuustarkastelu kokeellisesti määritetyn kuormitushistorian perusteella

Työssä tutkittiin jätteen murskauksesta murskaimeen aiheutuvia kuormituksia vastusvenymäliuskamittauksilla. Eri jätetyyppien aiheuttamia kuormituksia tutkittiin erillisinä tapauksina ja näistä tyyppikuormituksista johdettiin rakenteen normaalia käyttöä vastaava kuormitushistoria käyttäen painokertoimia eri tyyppikuormien kesken. Murskaimen runkorakennetta tutkittiin FE-analyysillä käyttäen kuormituksena kenttämittauksilla saatua todellista kuormitusta. FE-menetelmällä tutkittiin väsymisen kannalta kriittisiä kohtia rakenteesta. Tulosten perusteella kriittisiin yksityiskohtiin laadittiin parannusehdotuksia, joiden perusteella yhteistyössä työn teettäjän kanssa laadittiin uudet rakenneratkaisut. Rakenteen kestoikä määritettiin väsymisvaurion kannalta kriittisimmän yksityiskohdan mukaan. Kestoiän määrittämiseen käytettiin Palmgren-Miner menetelmää ja Palmgren-Miner menetelmästä johdettua ekvivalentin jännitysvaihtelun menetelmää. Muutosten jälkeen rakenne täyttää sille asetetun suunnittelukestoiän käytettyjen menetelmien perusteella.

Avaliação da influência de aplicação de vibração mecânica na microestrutura e em características mecânicas de juntas do aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo FCAW

O aço inoxidável martensítico ASTM A743 CA6NM é utilizado para produzir componentes especiais para turbinas hidráulicas, devido às suas boas propriedades mecânicas combinadas com alta resistência à corrosão e cavitação e uma boa soldabilidade. As turbinas hidráulicas são produzidas por meio de múltiplos passes de solda em peças espessas obtidas por fundição. Durante a operação, estes componentes estão sujeitos à erosão por cavitação e trincas em regiões tensionadas, que são reparados também por meio de soldagem. Após o processo de soldagem, um tratamento térmico pós-soldagem é comumente utilizado para aliviar as tensões residuais. Porém, existem dificuldades significativas para a realização de tratamento térmico nas turbinas hidráulicas, tais como a complexidade da geometria de solda, a possibilidade de distorção no caso de quaisquer cargas mecânicas, dificuldade em aquecer simetricamente, e também o tratamento térmico pode causar degradação das propriedades do material. Assim, existe um grande interesse no desenvolvimento de procedimentos de soldagem que elevem a tenacidade ao impacto e evitem o tratamento térmico pós-soldagem. Neste trabalho, a aplicação de vibrações mecânicas durante e após a soldagem para aliviar tensões residuais foram avaliadas em juntas de aço inoxidável martensítico CA6NM soldadas pelo processo Flux Cored Arc Welding (FCAW). A utilização de vibrações mecânicas para reduzir e redistribuir as tensões residuais das estruturas soldadas através da aplicação de carga vibratória pode gerar muitos benefícios. Testes de impacto Charpy (-20 °C), ensaios de tração e dobramento foram realizados conforme ASME IX, e perfis de microdureza nas diferentes regiões da solda foram conduzidos para a caracterização mecânica das juntas soldadas. A caracterização microestrutural foi realizada utilizando difração de raios X, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados de propriedades mecânicas das amostras vibradas atenderam as exigências especificadas por norma, na qual o processo com tratamento térmico é recomendado para a soldagem deste tipo de aço, visando atingir os níveis de tenacidade do material original. Com relação à microestrutura não foram observados alterações significativas para as amostras vibradas em comparação com a condição \"como soldado\", porém para a condição com tratamento térmico pós-soldagem foi observado uma pequena quantidade de austenita retida, que são precipitadas após o tratamento térmico e permanecem finamente distribuídas após o resfriamento e auxiliam no ganho de tenacidade das juntas soldadas.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

An Assessment ofFatigue Strength of Load Carrying Welded Joints with Lack of Penetration

On yleisesti tiedossa, että väsyttävän kuormituksen alaisena olevat hitsatut rakenteet rikkoutuvat juuri hitsausliitoksista. Täyden tunkeuman hitsausliitoksia sisältävien rakenteiden asiantunteva suunnittelu janykyaikaiset valmistusmenetelmät ovat lähes eliminoineet väsymisvauriot hitsatuissa rakenteissa. Väsymislujuuden parantaminen tiukalla täyden tunkeuman vaatimuksella on kuitenkin epätaloudellinen ratkaisu. Täyden tunkeuman hitsausliitoksille asetettavien laatuvaatimuksien on määriteltävä selkeät tarkastusohjeet ja hylkäämisperusteet. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia geometristen muuttujien vaikutusta kuormaa kantavien hitsausliitosten väsymislujuuteen. Huomio kiinnitettiin pääasiassa suunnittelumuuttujiin, joilla on vaikutusta väsymisvaurioiden syntymiseen hitsauksen juuren puolella. Nykyiset määräykset ja standardit, jotka perustuvat kokeellisiin tuloksiin; antavat melko yleisiä ohjeita hitsausliitosten väsymismitoituksesta. Tämän vuoksi muodostettiin kokonaan uudet parametriset yhtälöt sallitun nimellisen jännityksen kynnysarvon vaihteluvälin, ¿¿th, laskemiseksi, jotta vältettäisiin hitsausliitosten juuren puoleiset väsymisvauriot. Lisäksi, jokaiselle liitostyypille laskettiin hitsin juuren puolen väsymisluokat (FAT), joita verrattiin olemassa olevilla mitoitusohjeilla saavutettuihin tuloksiin. Täydentäviksi referensseiksi suoritettiin useita kolmiulotteisia (3D) analyysejä. Julkaistuja kokeellisiin tuloksiin perustuvia tietoja käytettiin apuna hitsausliitosten väsymiskäyttäytymisen ymmärtämiseksi ja materiaalivakioiden määrittämiseksi. Kuormaa kantavien vajaatunkeumaisten hitsausliitosten väsymislujuus määritettiin käyttämällä elementtimenetelmää. Suurimman pääjännityksen kriteeriä hyödynnettiin murtumiskäyttäytymisen ennakoimiseksi. Valitulle hitsatulle materiaalille ja koeolosuhteille murtumiskäyttäytymistä mallinnettiin särön kasvunopeudella da/dN ja jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälillä, 'K. Paris:n yhtälön numeerinen integrointi suoritettiin FRANC2D/L tietokoneohjelmalla. Saatujen tulosten perusteella voidaan laskea FAT tutkittavassa tapauksessa. ¿¿th laskettiin alkusärön jännitysintensiteettikertoimen vaihteluvälin ja kynnysjännitysintensiteettikertoimen, 'Kth, perusteella. ¿Kth arvoa pienemmällä vaihteluvälillä särö ei kasva. Analyyseissäoletuksena oli hitsattu jälkikäsittelemätön liitos, jossa oli valmis alkusärö hitsin juuressa. Analyysien tulokset ovat hyödyllisiä suunnittelijoille, jotka tekevät päätöksiä koskien geometrisiä parametreja, joilla on vaikutusta hitsausliitosten väsymislujuuteen.

Effect of loading type on the fatigue strength of symmetric and asymmetric welded joints made of ultra high strength steel

In this study, finite element analyses and experimental tests are carried out in order to investigate the effect of loading type and symmetry on the fatigue strength of three different non-load carrying welded joints. The current codes and recommendations do not give explicit instructions how to consider degree of bending in loading and the effect of symmetry in the fatigue assessment of welded joints. The fatigue assessment is done by using effective notch stress method and linear elastic fracture mechanics. Transverse attachment and cover plate joints are analyzed by using 2D plane strain element models in FEMAP/NxNastran and Franc2D software and longitudinal gusset case is analyzed by using solid element models in Abaqus and Abaqus/XFEM software. By means of the evaluated effective notch stress range and stress intensity factor range, the nominal fatigue strength is assessed. Experimental tests consist of the fatigue tests of transverse attachment joints with total amount of 12 specimens. In the tests, the effect of both loading type and symmetry on the fatigue strength is studied. Finite element analyses showed that the fatigue strength of asymmetric joint is higher in tensile loading and the fatigue strength of symmetric joint is higher in bending loading in terms of nominal and hot spot stress methods. Linear elastic fracture mechanics indicated that bending reduces stress intensity factors when the crack size is relatively large since the normal stress decreases at the crack tip due to the stress gradient. Under tensile loading, experimental tests corresponded with finite element analyzes. Still, the fatigue tested joints subjected to bending showed the bending increased the fatigue strength of non-load carrying welded joints and the fatigue test results did not fully agree with the fatigue assessment. According to the results, it can be concluded that in tensile loading, the symmetry of joint distinctly affects on the fatigue strength. The fatigue life assessment of bending loaded joints is challenging since it depends on whether the crack initiation or propagation is predominant.