High fidelity simulations of failure in fiber-reinforced composites

Los ensayos virtuales de materiales compuestos han aparecido como un nuevo concepto dentro de la industria aeroespacial, y disponen de un vasto potencial para reducir los enormes costes de certificación y desarrollo asociados con las tediosas campañas experimentales, que incluyen un gran número de paneles, subcomponentes y componentes. El objetivo de los ensayos virtuales es sustituir algunos ensayos por simulaciones computacionales con alta fidelidad. Esta tesis es una contribución a la aproximación multiescala desarrollada en el Instituto IMDEA Materiales para predecir el comportamiento mecánico de un laminado de material compuesto dadas las propiedades de la lámina y la intercara. La mecánica de daño continuo (CDM) formula el daño intralaminar a nivel constitutivo de material. El modelo de daño intralaminar se combina con elementos cohesivos para representar daño interlaminar. Se desarrolló e implementó un modelo de daño continuo, y se aplicó a configuraciones simples de ensayos en laminados: impactos de baja y alta velocidad, ensayos de tracción, tests a cortadura. El análisis del método y la correlación con experimentos sugiere que los métodos son razonablemente adecuados para los test de impacto, pero insuficientes para el resto de ensayos. Para superar estas limitaciones de CDM, se ha mejorado la aproximación discreta de elementos finitos enriqueciendo la cinemática para incluir discontinuidades embebidas: el método extendido de los elementos finitos (X-FEM). Se adaptó X-FEM para un esquema explícito de integración temporal. El método es capaz de representar cualitativamente los mecanismos de fallo detallados en laminados. Sin embargo, los resultados muestran inconsistencias en la formulación que producen resultados cuantitativos erróneos. Por último, se ha revisado el método tradicional de X-FEM, y se ha desarrollado un nuevo método para superar sus limitaciones: el método cohesivo X-FEM estable. Las propiedades del nuevo método se estudiaron en detalle, y se concluyó que el método es robusto para implementación en códigos explícitos dinámicos escalables, resultando una nueva herramienta útil para la simulación de daño en composites. Virtual testing of composite materials has emerged as a new concept within the aerospace industry. It presents a very large potential to reduce the large certification costs and the long development times associated with the experimental campaigns, involving the testing of a large number of panels, sub-components and components. The aim of virtual testing is to replace some experimental tests by high-fidelity numerical simulations. This work is a contribution to the multiscale approach developed in Institute IMDEA Materials to predict the mechanical behavior of a composite laminate from the properties of the ply and the interply. Continuum Damage Mechanics (CDM) formulates intraply damage at the the material constitutive level. Intraply CDM is combined with cohesive elements to model interply damage. A CDM model was developed, implemented, and applied to simple mechanical tests of laminates: low and high velocity impact, tension of coupons, and shear deformation. The analysis of the results and the comparison with experiments indicated that the performance was reasonably good for the impact tests, but insuficient in the other cases. To overcome the limitations of CDM, the kinematics of the discrete finite element approximation was enhanced to include mesh embedded discontinuities, the eXtended Finite Element Method (X-FEM). The X-FEM was adapted to an explicit time integration scheme and was able to reproduce qualitatively the physical failure mechanisms in a composite laminate. However, the results revealed an inconsistency in the formulation that leads to erroneous quantitative results. Finally, the traditional X-FEM was reviewed, and a new method was developed to overcome its limitations, the stable cohesive X-FEM. The properties of the new method were studied in detail, and it was demonstrated that the new method was robust and can be implemented in a explicit finite element formulation, providing a new tool for damage simulation in composite materials.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Inception of debris avalanches: remarks on geomechanical modelling

Debris avalanches are complex phenomena due to the variety of mechanisms that control the failure stage and the avalanche formation. Regarding these issues, in the literature, either field evidence or qualitative interpretations can be found while few experimental laboratory tests and rare examples of geomechanical modelling are available for technical and/or scientific purposes. As a contribution to the topic, the paper firstly highlights as the problem can be analysed referring to a unique mathematical framework from which different modelling approaches can be derived based on limit equilibrium method (LEM), finite element method (FEM), or smooth particle hydrodynamics (SPH). Potentialities and limitations of these approaches are then tested for a large study area where huge debris avalanches affected shallow deposits of pyroclastic soils (Sarno-Quindici, Southern Italy). The numerical results show that LEM as well as uncoupled and coupled stress–strain FEM analyses are able to individuate the major triggering mechanisms. On the other hand, coupled SPH analyses outline the relevance of erosion phenomena, which can modify the kinematic features of debris avalanches in their source areas, i.e. velocity, propagation patterns and later spreading of the unstable mass. As a whole, the obtained results encourage the application of the introduced approaches to further analyse real cases in order to enhance the current capability to forecast the inception of these dangerous phenomena.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.

An experimental and numerical study of ductile failure under quasi-static and impact loadings of Inconel 718 nickel-base superalloy

A numerical and experimental study of ballistic impacts at various temperatures on precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy plates has been performed. A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code to model the mechanical behaviour of such an alloy. The ballistic impact tests have been carried out at three temperatures: room temperature (25 °C), 400 °C and 700 °C. The numerical study showed that the mesh size is crucial to predict correctly the shear bands detected in the tested plates. Moreover, the mesh size convergence has been achieved for element sizes on the same order that the shear bands. The residual velocity as well as the ballistic limit prediction has been considered excellent for high temperature ballistic tests. Nevertheless, the model has been less accurate for the numerical simulations performed at room temperature, being though in reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the influence that the Lode angle had on quasi-static failure patterns such as cup-cone and slanted failure has been studied numerically. The study has revealed that the combined action of weakened constitutive equations and Lode angle dependent failure criterion has been necessary to predict the previously-mentioned failure patterns

Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos pueden poner en peligro la integridad de estructuras aeroespaciales y los ingenieros han desarrollado diferentes estrategias para analizarlos. Uno de los grandes problemas que se plantean en la ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico determinista y aleatorio del problema. Se han propuesto desde problemas sencillos con pocos grados de libertad que sirven para analizar las diferentes estrategias y herramientas a utilizar, hasta fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros aleatorios que pueden responder a un desconocimiento o incertidumbre de los mismos. Durante el desarrollo de la tesis se introducen conceptos y se aplican distintos métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más complejos, como el impacto a baja velocidad en materiales compuestos, en el que se busca evaluar la resistencia residual y, por lo tanto, la tolerancia al daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. Se trata de un suceso muy particular en el que la estructura tiene que soportar unas cargas complejas y excepcionales con las que la aeronave debe ser capaz de completar con éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño de pala perdida, la velocidad y el momento en el que se produce la rotura, y la rigidez y resistencia de los apoyos del motor. Se tiene en cuenta incluso el amortiguamiento estructural del sistema. Las distintas estrategias de análisis permiten obtener unos resultados valiosos e interesantes que han sido objeto de distintas publicaciones. ABSTRACT Dynamic phenomena can endanger the integrity of aerospace structures and, consequently, engineers have developed different strategies to analyze them. One of the major engineering problems is how to deal with the structural dynamics. In this thesis, different dynamic phenomena are introduced and several methods are proposed to estimate or simulate their behaviors. The analysis is considered through parametric, deterministic and statistical methods. The suggested issues are from simple problems with few degrees of freedom, in order to develop different strategies and tools to solve them, to very dynamic phenomena containing nonlinear behaviors failures, damages. The first examples cover a wide variety of dynamic phenomena such as vibration analysis of mass elements, including impacts and contacts, and beam analysis with harmonic load applied, in which random parameters are included. These parameters can represent the unawareness or uncertainty of certain variables. During the development of the thesis several concepts are introduced and different methods are applied, such as the finite element method (FEM), which is solved through implicit and explicit schemes, and parametrical and statistical methods using the Monte Carlo analysis technique. Next, once the tools and strategies of analysis are set out more complex phenomena are studied. This is the case of a low-speed impact in composite materials, the residual strength of the structure is evaluated, and therefore, its damage tolerance. This incident may occur from a tool dropped, hail or debris throw on the runway. At an airport may also occur, and it is also analyzed, a collision between an airplane and a frangible device. The devise must brake under these loads, however, it must withstand others. Finally, all the considered methodology is applied to simulate and analyze a flight incident, the blade loss phenomenon of a turboprop. In this particular event the structure must support complex and exceptional loads and the aircraft must be able to successfully complete the flight. Nonlinear behavior, damage, and different types of failures are included in the analysis, in which the key parameters in the failure sequence are identified. The incident is analyzed by deterministic structural analysis and also by other techniques such as Monte Carlo method, in which it is possible to include different parametric uncertainties through random variables. Some of the evaluated parameters are, among others, the blade loss size, propeller rotational frequency, speed and angular position where the blade is lost, and the stiffness and strength of the engine mounts. The study does also research on the structural damping of the system. The different strategies of analysis obtain valuable and interesting results that have been already published.

Évaluation des connaissances morphologiques dérivationnelles d’apprentis-lecteurs présentant une dysphasie

La dysphasie consiste en une atteinte sévère et persistante de l’acquisition et du développement du langage oral. Les élèves qui en sont atteints peinent à devenir des lecteurs habiles et sont à haut risque d’échec scolaire. Si ce trouble très complexe est étudié dans différents domaines (la santé et l’éducation, entre autres), peu d’études se sont spécifiquement intéressées à vérifier si les élèves dysphasiques possèdent des connaissances morphologiques dérivationnelles. Or, depuis un certain nombre d’années, de nombreux chercheurs soutiennent que ces connaissances, qui concernent la forme des mots et leurs règles de formation, peuvent constituer une stratégie supplémentaire aidante pour les élèves aux prises avec un déficit phonologique, comme les élèves dysphasiques. C’est dans ce cadre que se situe la présente étude, dont l’objectif général est d’évaluer les connaissances morphologiques dérivationnelles d’apprentis-lecteurs dysphasiques francophones du primaire. Pour y parvenir, trois tâches morphologiques, soit une tâche de jugement de relation, une tâche de dérivation et une tâche de plausibilité, ont été soumises à trois groupes de participants dont un groupe d’élèves dysphasiques (D=30) et deux groupes contrôles, c’est-à-dire des élèves du même âge chronologique (CA, n=30) et des élèves plus jeunes, mais du même niveau de lecture (CL, n=30). Nos résultats montrent que l’ensemble des trois groupes de participants a tiré profit des unités morphologiques contenues dans les items pour réussir les tâches proposées, les dysphasiques obtenant des résultats inférieurs aux CA mais comparables aux CL. Toutefois, ces résultats ne s’apparentent pas tout à fait au continuum de développement des connaissances morphologiques dérivationnelles établi par Tyler et Nagy (1989). De plus, aucun effet du type d’affixation (items préfixés vs suffixés) n’a été observé. Les résultats obtenus nous permettent de proposer des pistes d’interventions orthodidactiques visant l’enseignement de la morphologie dérivationnelle auprès des élèves aux prises avec des difficultés de lecture, à l’instar des participants dysphasiques qui ont participé à cette étude.

Évaluation des connaissances morphologiques dérivationnelles d’apprentis-lecteurs présentant une dysphasie

La dysphasie consiste en une atteinte sévère et persistante de l’acquisition et du développement du langage oral. Les élèves qui en sont atteints peinent à devenir des lecteurs habiles et sont à haut risque d’échec scolaire. Si ce trouble très complexe est étudié dans différents domaines (la santé et l’éducation, entre autres), peu d’études se sont spécifiquement intéressées à vérifier si les élèves dysphasiques possèdent des connaissances morphologiques dérivationnelles. Or, depuis un certain nombre d’années, de nombreux chercheurs soutiennent que ces connaissances, qui concernent la forme des mots et leurs règles de formation, peuvent constituer une stratégie supplémentaire aidante pour les élèves aux prises avec un déficit phonologique, comme les élèves dysphasiques. C’est dans ce cadre que se situe la présente étude, dont l’objectif général est d’évaluer les connaissances morphologiques dérivationnelles d’apprentis-lecteurs dysphasiques francophones du primaire. Pour y parvenir, trois tâches morphologiques, soit une tâche de jugement de relation, une tâche de dérivation et une tâche de plausibilité, ont été soumises à trois groupes de participants dont un groupe d’élèves dysphasiques (D=30) et deux groupes contrôles, c’est-à-dire des élèves du même âge chronologique (CA, n=30) et des élèves plus jeunes, mais du même niveau de lecture (CL, n=30). Nos résultats montrent que l’ensemble des trois groupes de participants a tiré profit des unités morphologiques contenues dans les items pour réussir les tâches proposées, les dysphasiques obtenant des résultats inférieurs aux CA mais comparables aux CL. Toutefois, ces résultats ne s’apparentent pas tout à fait au continuum de développement des connaissances morphologiques dérivationnelles établi par Tyler et Nagy (1989). De plus, aucun effet du type d’affixation (items préfixés vs suffixés) n’a été observé. Les résultats obtenus nous permettent de proposer des pistes d’interventions orthodidactiques visant l’enseignement de la morphologie dérivationnelle auprès des élèves aux prises avec des difficultés de lecture, à l’instar des participants dysphasiques qui ont participé à cette étude.

Anisotropic viscous models of large-deformation Mohr-Coulomb failure

We have developed a way to represent Mohr-Coulomb failure within a mantle-convection fluid dynamics code. We use a viscous model of deformation with an orthotropic viscoplasticity (a different viscosity is used for pure shear to that used for simple shear) to define a prefered plane for slip to occur given the local stress field. The simple-shear viscosity and the deformation can then be iterated to ensure that the yield criterion is always satisfied. We again assume the Boussinesq approximation, neglecting any effect of dilatancy on the stress field. An additional criterion is required to ensure that deformation occurs along the plane aligned with maximum shear strain-rate rather than the perpendicular plane, which is formally equivalent in any symmetric formulation. We also allow for strain-weakening of the material. The material can remember both the accumulated failure history and the direction of failure. We have included this capacity in a Lagrangian-integration-point finite element code and show a number of examples of extension and compression of a crustal block with a Mohr-Coulomb failure criterion. The formulation itself is general and applies to 2- and 3-dimensional problems.

An anisotropic viscous representation of Mohr-Coulomb failure for use is modelling coupled mantle-continent dynamics

In mantle convection models it has become common to make use of a modified (pressure sensitive, Boussinesq) von Mises yield criterion to limit the maximum stress the lithosphere can support. This approach allows the viscous, cool thermal boundary layer to deform in a relatively plate-like mode even in a fully Eulerian representation. In large-scale models with embedded continental crust where the mobile boundary layer represents the oceanic lithosphere, the von Mises yield criterion for the oceans ensures that the continents experience a realistic broad-scale stress regime. In detailed models of crustal deformation it is, however, more appropriate to choose a Mohr-Coulomb yield criterion based upon the idea that frictional slip occurs on whichever one of many randomly oriented planes happens to be favorably oriented with respect to the stress field. As coupled crust/mantle models become more sophisticated it is important to be able to use whichever failure model is appropriate to a given part of the system. We have therefore developed a way to represent Mohr-Coulomb failure within a code which is suited to mantle convection problems coupled to large-scale crustal deformation. Our approach uses an orthotropic viscous rheology (a different viscosity for pure shear to that for simple shear) to define a prefered plane for slip to occur given the local stress field. The simple-shear viscosity and the deformation can then be iterated to ensure that the yield criterion is always satisfied. We again assume the Boussinesq approximation - neglecting any effect of dilatancy on the stress field. An additional criterion is required to ensure that deformation occurs along the plane aligned with maximum shear strain-rate rather than the perpendicular plane which is formally equivalent in any symmetric formulation. It is also important to allow strain-weakening of the material. The material should remember both the accumulated failure history and the direction of failure. We have included this capacity in a Lagrangian-Integration-point finite element code and will show a number of examples of extension and compression of a crustal block with a Mohr-Coulomb failure criterion, and comparisons between mantle convection models using the von Mises versus the Mohr-Coulomb yield criteria. The formulation itself is general and applies to 2D and 3D problems, although it is somewhat more complicated to identify the slip plane in 3D.

Formability of high strength aluminium sheet

An initial review of the subject emphasises the need for improved fuel efficiency in vehicles and the possible role of aluminium in reducing weight. The problems of formability generally in manufacture and of aluminium in particular are discussed in the light of published data. A range of thirteen commercially available sheet aluminium alloys have been compared with respect to mechanical properties as these affect forming processes and behaviour in service. Four alloys were selected for detailed comparison. The formability and strength of these were investigated in terms of underlying mechanisms of deformation as well as the microstructural characteristics of the alloys including texture, particle dispersion, grain size and composition. In overall terms, good combinations of strength and ductility are achievable with alloys of the 2xxx and 6xxx series. Some specific alloys are notably better than others. The strength of formed components is affected by paint baking in the final stages of manufacture. Generally, alloys of the 6xxx family are strengthened while 2xxx and 5xxx become weaker. Some anomalous behaviour exists, however. Work hardening of these alloys appears to show rather abrupt decreases over certain strain ranges which is probably responsible for the relatively low strains at which both diffuse and local necking occur. Using data obtained from extended range tensile tests, the strain distribution in more complex shapes can be successfully modelled using finite element methods.Sheet failure during forming occurs by abrupt shear fracture in many instances. This condition is favoured by states of biaxial tension, surface defects in the form of fine scratches and certain types of crystallographic texture. The measured limit strains of the materials can be understood on the basis of attainment of a critical shear stress for fracture.

Numerical modelling of complex femtosecond laser inscribed fiber gratings - comparison wih experiment

We present experimental studies and numerical modeling based on a combination of the Bidirectional Beam Propagation Method and Finite Element Modeling that completely describes the wavelength spectra of point by point femtosecond laser inscribed fiber Bragg gratings, showing excellent agreement with experiment. We have investigated the dependence of different spectral parameters such as insertion loss, all dominant cladding and ghost modes and their shape relative to the position of the fiber Bragg grating in the core of the fiber. Our model is validated by comparing model predictions with experimental data and allows for predictive modeling of the gratings. We expand our analysis to more complicated structures, where we introduce symmetry breaking; this highlights the importance of centered gratings and how maintaining symmetry contributes to the overall spectral quality of the inscribed Bragg gratings. Finally, the numerical modeling is applied to superstructure gratings and a comparison with experimental results reveals a capability for dealing with complex grating structures that can be designed with particular wavelength characteristics.

Numerical modelling of complex femtosecond laser inscribed fiber gratings - comparison wih experiment

We present experimental studies and numerical modeling based on a combination of the Bidirectional Beam Propagation Method and Finite Element Modeling that completely describes the wavelength spectra of point by point femtosecond laser inscribed fiber Bragg gratings, showing excellent agreement with experiment. We have investigated the dependence of different spectral parameters such as insertion loss, all dominant cladding and ghost modes and their shape relative to the position of the fiber Bragg grating in the core of the fiber. Our model is validated by comparing model predictions with experimental data and allows for predictive modeling of the gratings. We expand our analysis to more complicated structures, where we introduce symmetry breaking; this highlights the importance of centered gratings and how maintaining symmetry contributes to the overall spectral quality of the inscribed Bragg gratings. Finally, the numerical modeling is applied to superstructure gratings and a comparison with experimental results reveals a capability for dealing with complex grating structures that can be designed with particular wavelength characteristics.

Failure mechanism of the all-polyethylene glenoid implant

Fixation failure of glenoid components is the main cause of unsuccessful total shoulder arthroplasties. The characteristics of these failures are still not well understood, hence, attempts at improving the implant fixation are somewhat blind and the failure rate remains high. This lack of understanding is largely due to the fundamental problem that direct observations of failure are impossible as the fixation is inherently embedded within the bone. Twenty custom made implants, reflecting various common fixation designs, and a specimen set-up was prepared to enable direct observation of failure when the specimens were exposed to cyclic superior loads during laboratory experiments. Finite element analyses of the laboratory tests were also carried out to explain the observed failure scenarios. All implants, irrespective of the particular fixation design, failed at the implant-cement interface and failure initiated at the inferior part of the component fixation. Finite element analyses indicated that this failure scenario was caused by a weak and brittle implant-cement interface and tensile stresses in the inferior region possibly worsened by a stress raiser effect at the inferior rim. The results of this study indicate that glenoid failure can be delayed or prevented by improving the implant/cement interface strength. Also any design features that reduce the geometrical stress raiser and the inferior tensile stresses in general should delay implant loosening.