Improving FEM crash simulation accuracy through local thickness estimation based on CAD data

In this paper, we present a method for estimating local thickness distribution in nite element models, applied to injection molded and cast engineering parts. This method features considerable improved performance compared to two previously proposed approaches, and has been validated against thickness measured by di erent human operators. We also demonstrate that the use of this method for assigning a distribution of local thickness in FEM crash simulations results in a much more accurate prediction of the real part performance, thus increasing the bene ts of computer simulations in engineering design by enabling zero-prototyping and thus reducing product development costs. The simulation results have been compared to experimental tests, evidencing the advantage of the proposed method. Thus, the proposed approach to consider local thickness distribution in FEM crash simulations has high potential on the product development process of complex and highly demanding injection molded and casted parts and is currently being used by Ford Motor Company.

Predicting the mechanical behavior of amorphous polymeric materials under strain through multi-scale simulation

Polymeric materials have become the reference material for high reliability and performance applications. However, their performance in service conditions is difficult to predict, due in large part to their inherent complex morphology, which leads to non-linear and anisotropic behavior, highly dependent on the thermomechanical environment under which it is processed. In this work, a multiscale approach is proposed to investigate the mechanical properties of polymeric-based material under strain. To achieve a better understanding of phenomena occurring at the smaller scales, the coupling of a finite element method (FEM) and molecular dynamics (MD) modeling, in an iterative procedure, was employed, enabling the prediction of the macroscopic constitutive response. As the mechanical response can be related to the local microstructure, which in turn depends on the nano-scale structure, this multiscale approach computes the stress-strain relationship at every analysis point of the macro-structure by detailed modeling of the underlying micro- and meso-scale deformation phenomena. The proposed multiscale approach can enable prediction of properties at the macroscale while taking into consideration phenomena that occur at the mesoscale, thus offering an increased potential accuracy compared to traditional methods.

A Travel Optimization System for Academic Environments

Carpooling initiated in America in the 1970s due to the oil crisis. However, over the past years, carpooling has increased significantly across the world. Some countries have created a High Occupancy Vehicle (HOV) lane to encourage commuters not to travel alone. In additional, carpool websites has been developed to facilitate the connection between the commuters, making it possible to create a compatible match in a faster and efficient manner. This project focuses on carpooling, especially in an academic environment since younger people are more likely to choose carpool. Initially, an intense research was made to examine carpool studies that occurred all over the world, following with a research of higher education institutes that use carpooling as a transportation mode. Most websites created carpools by targeting people from a specific country. These commuters have different origins and destinations making it more complicated to create compatible matches. The objective of this project is to develop a system helping teachers and students from an academic environment to create carpool matches. This objective makes it easier to create carpools because these students and teachers have the same destination. During the research, it was essential to explore, as many as possible, existing carpool websites that are available across the world. After this analysis, several sketches were made to develop the layout and structure of the web application that’s being implemented throughout the project. Once the layout was established, the development of the web application was initiated. This project had its ups and downs but it accomplished all the necessary requirements. This project can be accessed on the link: http://ipcacarpool.somee.com. Once the website was up and running, a web-based survey was developed to study the reasons that motivate people to consider carpooling as an alternative to driving alone. To develop this survey was used a tool called Survey Planet. This survey contained 408 respondents, which 391 are students and 17 are teachers. This study concludes that a majority of the respondents don’t carpool, however they will consider carpooling if there was a dedicated parking space. A majority of the respondents that carpool initiated less than a year ago, indicating that this mean of transportation is recent.

A System Dynamics-Based Simulation Experiment for Testing Mental Model and Performance Effects of Using the Balanced Scorecard

This study develops a theoretical model that explains the effectiveness of the balanced scorecard approach by means of a system dynamics and feedback learning perspective. Presumably, the balanced scorecard leads to a better understanding of context, allowing managers to externalize and improve their mental models. We present a set of hypotheses about the influence of the balanced scorecard approach on mental models and performance. A test based on a simulation experiment that uses a system dynamics model is performed. The experiment included three types of parameters: financial indicators; balanced scorecard indicators; and balanced scorecard indicators with the aid of a strategy map review. Two out of the three hypotheses were confirmed. It was concluded that a strategy map review positively influences mental model similarity, and mental model similarity positively influences performance.

A system dynamics-based simulation

This study develops a theoretical model that explains the effectiveness of the balanced scorecard approach by means of a system dynamics and feedback learning perspective. Presumably, the balanced scorecard leads to a better understanding of context, allowing managers to externalize and improve their mental models. We present a set of hypotheses about the influence of the balanced scorecard approach on mental models and performance. A test based on a simulation experiment that uses a system dynamics model is performed. The experiment included three types of parameters: financial indicators; balanced scorecard indicators; and balanced scorecard indicators with the aid of a strategy map review. Two out of the three hypotheses were confirmed. It was concluded that a strategy map review positively influences mental model similarity, and mental model similarity positively influences performance.

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.

Wavelength Selective a-SiC:H p-i-n/p-i-n Heterostructure for Fluorescent Proteins Detection

In this paper we present results on the optimization of multilayered a-SiC:H heterostructures that can be used as optical transducers for fluorescent proteins detection using the Fluorescence Resonance Energy Transfer approach. Double structures composed by pin based aSiC:H cells are analyzed. The color discrimination is achieved by ac photocurrent measurement under different externally applied bias. Experimental data on spectral response analysis, current-voltage characteristics and color and transmission rate discrimination are reported. An electrical model, supported by a numerical simulation gives insight into the device operation. Results show that the optimized a-SiC:H heterostructures act as voltage controlled optical filters in the visible spectrum. When the applied voltages are chosen appropriately those optical transducers can detect not only the selective excitation of specimen fluorophores, but also the subsequent weak acceptor fluorescent channel emission.

Modeling, control and simulation of full-power converter wind turbines equipped with permanent magnet synchronous generator

In this paper, two wind turbines equipped with a permanent magnet synchronous generator (PMSG) and respectively with a two-level or a multilevel converter are simulated in order to access the malfunction transient performance. Three different drive train mass models, respectively, one, two and three mass models, are considered in order to model the bending flexibility of the blades. Moreover, a fractional-order control strategy is studied comparatively to a classical integer-order control strategy. Computer simulations are carried out, and conclusions about the total harmonic distortion (THD) of the electric current injected into the electric grid are in favor of the fractional-order control strategy.

Power converter topologies for wind energy conversion systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation

This paper presents new integrated model for variable-speed wind energy conversion systems, considering a more accurate dynamic of the wind turbine, rotor, generator, power converter and filter. Pulse width modulation by space vector modulation associated with sliding mode is used for controlling the power converters. Also, power factor control is introduced at the output of the power converters. Comprehensive performance simulation studies are carried out with matrix, two-level and multilevel power converter topologies in order to adequately assert the system performance. Conclusions are duly drawn.

Development of fire-resistant (B1 & B2) winter 1 KPU foams applied by gun or straw adapter and optimization of a gun applied winter 1 KPU foam

A realização do presente trabalho teve como principais objectivos o desenvolvimento de espumas de poliuretano de um componente com propriedades de resistência à chama superiores (B1 & B2), aplicadas por pistola ou por adaptador/tubo e a optimização de uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola. Todo o trabalho desenvolvido está dividido em dois projectos distintos: i. O primeiro projecto consistiu em desenvolver espumas de um componente com propriedades de resistência à chama (classificadas como B1 e B2 de acordo com a norma alemã DIN 4102), aplicadas por pistola (GWB1 e GWB2) ou por adaptador/tubo (AWB), utilizando polióis poliésteres aromáticos modificados e aditivos retardantes de chama halogenados. Estas espumas deveriam apresentar também propriedades aceitáveis a baixas temperaturas. Após realizar várias formulações foi possível desenvolver uma espuma AWB2 com apenas 3,3% de poliol poliéster no pré-polímero e com propriedades equivalentes às da melhor espuma comercial mesmo a 5/-10 (temperatura da lata/cura da espuma em °C) e também com uma altura de chama de apenas 11 cm. A partir de duas formulações (AWB2) que passaram o Teste B2, foram obtidas também, uma espuma GWB2 e outra GWB1 com propriedades equivalentes às da melhor espuma da concorrência a -10/-10 e a 23/5, respectivamente, embora não tenham sido submetidas ao teste B2 e B1 após as modificações efectuadas. ii. O segundo projecto consistiu em optimizar uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola (GWB3). A espuma inicial tinha problemas de glass bubbles quando esta era dispensada a partir de uma lata cheia, sendo necessário ultrapassar este problema. Este problema foi resolvido diminuindo a razão de GPL/DME através do aumento da percentagem em volume de DME no pré-polímero para 14% no entanto, a estabilidade dimensional piorou um pouco. O reagente FCA 400 foi removido da formulação anterior (6925) numa tentativa de diminuir o custo da espuma, obtendo-se uma espuma aceitável a 23/23 e a 5/5, com uma redução de 4% no custo da produção e com uma redução de 5,5% no custo por litro de espuma dispensada, quando comparada com a sua antecessora. Por último, foi avaliada a influência da concentração de diferentes surfactantes na formulação 6925, verificando-se o melhoramento da estrutura celular da espuma para concentrções mais elevadas de surfactante, sendo este efeito mais notório a temperaturas mais baixas (5/5). Dos surfactantes estudados, o B 8871 mostrou o melhor desempenho a 5/5 com a concentração mais baixa, sendo portanto o melhor surfactante, enquanto o Struksilon 8003 demonstrou ser o menos adequado para esta formulação específica, apresentando piores resultados globais. Pode-se ainda acrescentar que os surfactantes L-5351, L-5352 e B 8526 também não são adequados para esta formulação uma vez que as espumas resultantes apresentam cell collapse, especialmente a 5/5. No caso dos surfactantes L-5351 e L-5352, esta propriedade piora com concentrações mais elevadas. Em cada projecto foram também efectuados testes de benchmark em determinadas espumas comerciais com o principal objectivo de comparar todos os resultados das espumas desenvolvidas, em ambos os projectos, com espumas da concorrência.

Aplicação de ferramentas de simulação de processos

Este trabalho foi efectuado com o propósito de interpretar, compreender e explicar algumas ferramentas de simulação de processos, em particular o Aspen Energy Analyzer (AEA), o Aspen Economic Evaluation (AEE) e o seu funcionamento integrado com o Aspen Hysys(AH). O AH é uma ferramenta de modelação de processos para a concepção de projectos de engenharia química, o AEA é uma ferramenta de modelação de redes de integração energética. O AEE integrado no AH é uma ferramenta que permite incorporar estudos económicos numa fase preliminar do desenvolvimento de um projecto de engenharia. A abordagem a este trabalho foi efectuada através do estudo de Casos. O Caso I foi baseado na resolução de um problema no AEA através da construção e optimização de uma rede de permutadores de calor. Os Casos II e III foram baseados na construção de um flowsheet de produção de Benzeno e de Cloreto de Vinil, respectivamente, e cada Caso foi dividido em dois cenários diferentes. Para o efeito foram utilizados os softwares AEA para a integração energética dos processos, o AH para construção do fluxograma do processo e o AEE para os estudos económicos dos diferentes cenários. Finalmente, os Casos IV e V dizem respeito à resolução de um problema de integração energética. O Caso IV foi baseado num problema de optimização da rede de permutadores através do aumento da sua área. Já o Caso V foi baseado na informação inicial das correntes do caso anterior e em dois cenários diferentes, nos quais foi estudada a influência dos preços das utilidades na construção da rede de permutadores. A conclusão foi que as ferramentas de modelação, particularmente o AH, o AEA e o AEE são uma mais-valia extraordinária para ajudar o utilizador na tomada de decisões em fases bastante preliminares da engenharia de processos.

Distribuição de vídeo sobre uma rede IEEE 802.11n

A recente norma IEEE 802.11n oferece um elevado débito em redes locais sem fios sendo por isso esperado uma adopção massiva desta tecnologia substituindo progressivamente as redes 802.11b/g. Devido à sua elevada capacidade esta recente geração de redes sem fios 802.11n permite um crescimento acentuado de serviços audiovisuais. Neste contexto esta dissertação procura estudar a rede 802.11n, caracterizando o desempenho e a qualidade associada a um serviço de transmissão de vídeo, recorrendo para o efeito a uma arquitectura de simulação da rede 802.11n. Desta forma é caracterizado o impacto das novas funcionalidades da camada MAC introduzidas na norma 801.11n, como é o caso da agregação A-MSDU e A-MPDU, bem como o impacto das novas funcionalidades da camada física como é o caso do MIMO; em ambos os casos uma optimização da parametrização é realizada. Também se verifica que as principais técnicas de codificação de vídeo H.264/AVC para optimizar o processo de distribuição de vídeo, permitem optimizar o desempenho global do sistema de transmissão. Aliando a optimização e parametrização da camada MAC, da camada física, e do processo de codificação, é possível propor um conjunto de configurações que permitem obter o melhor desempenho na qualidade de serviço da transmissão de conteúdos de vídeo numa rede 802.11n. A arquitectura de simulação construída nesta dissertação é especificamente adaptada para suportar as técnicas de agregação da camada MAC, bem como para suportar o encapsulamento em protocolos de rede que permitem a transmissão dos pacotes de vídeo RTP, codificados em H.264/AVC.

Planeamento e optimização em redes celulares móveis auto-geridas assentes em LTE

O objectivo deste trabalho consiste em avaliar os benefícios das Self Organizing Networks (SON), no que concerne ao planeamento e optimização de redes Long Term Evolution (LTE), não só através do seu estudo, como também através do desenvolvimento e teste de algoritmos, que permitem avaliar o funcionamento de algumas das suas principais funções. O estudo efectuado sobre as SON permitiu identificar um conjunto de funções, tais como a atribuição automática de Physical Cell Id (PCI), o Automatic Neighbour Relation (ANR) e a optimização automática de parâmetros de handover, que permitem facilitar ou mesmo substituir algumas das tarefas mais comuns em planeamento e optimização de redes móveis celulares, em particular, redes LTE. Recorrendo a um simulador LTE destinado à investigação académica, em código aberto e desenvolvido em Matlab®, foi desenvolvido um conjunto de algoritmos que permitiram a implementação das funções em questão. Para além das funções implementadas, foram também introduzidas alterações que conferem a este simulador a capacidade de representar e simular redes reais, permitindo uma análise mais coerente dos algoritmos desenvolvidos. Os resultados obtidos, para além de evidenciarem claramente o benefício dos algoritmos desenvolvidos, foram ainda comparados com os obtidos pela ferramenta profissional de planeamento e optimização Atoll®, tendo-se verificado a franca proximidade de desempenho em algumas das funções. Finalmente, foi desenvolvida uma interface gráfica que permite o desenho, configuração e simulação de cenários, bem como a análise de resultados.

Fractional-order control and simulation of wind energy systems with PMSG/full-power converter topology

This paper presents a new integrated model for the simulation of wind energy systems. The proposed model is more realistic and accurate, considering a variable-speed wind turbine, two-mass rotor, permanent magnet synchronous generator (PMSG), different power converter topologies, and filters. Additionally, a new control strategy is proposed for the variable-speed operation of wind turbines with PMSG/full-power converter topology, based on fractional-order controllers. Comprehensive simulation studies are carried out with matrix and multilevel power converter topologies, in order to adequately assert the system performance in what regards the quality of the energy injected into the electric grid. Finally, conclusions are duly drawn.