Improving the lens design and performance of a contemporary electromagnetic shock wave lithotripter.

The efficiency of shock wave lithotripsy (SWL), a noninvasive first-line therapy for millions of nephrolithiasis patients, has not improved substantially in the past two decades, especially in regard to stone clearance. Here, we report a new acoustic lens design for a contemporary electromagnetic (EM) shock wave lithotripter, based on recently acquired knowledge of the key lithotripter field characteristics that correlate with efficient and safe SWL. The new lens design addresses concomitantly three fundamental drawbacks in EM lithotripters, namely, narrow focal width, nonidealized pulse profile, and significant misalignment in acoustic focus and cavitation activities with the target stone at high output settings. Key design features and performance of the new lens were evaluated using model calculations and experimental measurements against the original lens under comparable acoustic pulse energy (E+) of 40 mJ. The -6-dB focal width of the new lens was enhanced from 7.4 to 11 mm at this energy level, and peak pressure (41 MPa) and maximum cavitation activity were both realigned to be within 5 mm of the lithotripter focus. Stone comminution produced by the new lens was either statistically improved or similar to that of the original lens under various in vitro test conditions and was significantly improved in vivo in a swine model (89% vs. 54%, P = 0.01), and tissue injury was minimal using a clinical treatment protocol. The general principle and associated techniques described in this work can be applied to design improvement of all EM lithotripters.

Case-based retrieval of 3-dimensional shapes for the design of metal castings

This paper describes research into retrieval based on 3-dimensional shapes for use in the metal casting industry. The purpose of the system is to advise a casting engineer on the design aspects of a new casting by reference to similar castings which have been prototyped and tested in the past. The key aspects of the system are the orientation of the shape within the mould, the positions of feeders and chills, and particular advice concerning special problems and solutions, and possible redesign. The main focus of this research is the effectiveness of similarity measures based on 3-dimensional shapes. The approach adopted here is to construct similarity measures based on a graphical representation deriving from a shape decomposition used extensively by experienced casting design engineers. The paper explains the graphical representation and discusses similarity measures based on it. Performance measures for the CBR system are given, and the results for trials of the system are presented. The competence of the current case-base is discussed, with reference to a representation of cases as points in an n-dimensional feature space, and its principal components visualization. A refinement of the case base is performed as a result of the competence analysis and the performance of the case-base before and after refinement is compared.

Reading the landscape: the development of a typology of literary trails to inform experiential design

This article explores the under-researched field of self-guided trails. The focus of the research is on the experiential aspects of self-guided literary trails from the perspective of both the developer and user. An examination of existing literature on self-guided trails and literary tourism was undertaken and supplemented with a review of experiential design principles. Content analysis of a sample of literary heritage trails was then carried out and three distinctive typologies were developed, informed by aspects of experiential design. The research reveals that few literary trails developers utilise these principles and the article concludes with proposals for the design of more effective literary trail experiences.

Creating Shared Public Space in the Contested City: The Role of Urban Design

This paper examines relevant characteristics of the ‘contested city’ and the concept of ‘public space’ in that problematic context. It offers an appraisal of the historical and contemporary role of urban design in shaping social space and interrogates the feasibility of using urban design to facilitate more integrated cityscapes. It presents detailed case studies of two ‘contested cities’, Nicosia and Belfast, based on content analysis of policy and planning documents, extensive site analyses in both places, interviews and seminar discussions with policy makers, planners, community and civic leaders. The paper comprises four dimensions—conceptual, descriptive, analytical and prescriptive—and in its final section identifies core values and relevant policies for the potential achievement of shared space in contested cities.

Learning design contingent valuation (LDCV): NOAA guidelines, preference learning and coherent arbitrariness

We extend the contingent valuation (CV) method to test three differing conceptions of individuals' preferences as either (i) a-priori well-formed or readily divined and revealed through a single dichotomous choice question (as per the NOAA CV guidelines [K. Arrow, R. Solow, P.R. Portney, E.E. Learner, R. Radner, H. Schuman, Report of the NOAA panel on contingent valuation, Fed. Reg. 58 (1993) 4601-4614]); (ii) learned or 'discovered' through a process of repetition and experience [J.A. List, Does market experience eliminate market anomalies? Q. J. Econ. (2003) 41-72; C.R. Plott, Rational individual behaviour in markets and social choice processes: the discovered preference hypothesis, in: K. Arrow, E. Colombatto, M. Perleman, C. Schmidt (Eds.), Rational Foundations of Economic Behaviour, Macmillan, London, St. Martin's, New York, 1996, pp. 225-250]; (iii) internally coherent but strongly influenced by some initial arbitrary anchor [D. Ariely, G. Loewenstein, D. Prelec, 'Coherent arbitrariness': stable demand curves without stable preferences, Q. J. Econ. 118(l) (2003) 73-105]. Findings reject both the first and last of these conceptions in favour of a model in which preferences converge towards standard expectations through a process of repetition and learning. In doing so, we show that such a 'learning design CV method overturns the 'stylised facts' of bias and anchoring within the double bound dichotomous choice elicitation format. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

A Novel Method to Enable Trade-offs Across the Whole Product Life of an Aircraft Using Value Driven Design

The increasing need to understand complex products and systems with long life spans, presents a significant challenge to designers who increasingly require a broader understanding of the operational aspects of the system. This demands an evolution in current design practice, as designers are often constrained to provide a subsystem solution without full knowledge of the global system operation. Recently there has been a push to consider value centric approaches which should facilitate better or more rapid convergence to design solutions with predictable completion schedules. Value Driven Design is one such approach, in which value is used as the system top level objective function. This provides a broader view of the system and enables all sub-systems and components to be designed with a view to the effect on project value. It also has the capacity to include value expressions for more qualitative aspects, such as environmental impact. However, application of the method to date has been restricted to comparing value in a programme where the lifespan is fixed and known a priori. This paper takes a novel view of value driven design through the surplus value objective function, and shows how it can be used to identify key sensitivities to guide designers in design trade-off decisions. By considering a new time based approach it can be used to identify optimum programme life-span and hence allow trade-offs over the whole product life.

An Evaluation of 1D Design Methods for the Off-Design Performance Prediction of Automotive Turbocharger Compressors

Several one-dimensional design methods have been used to predict the off-design performance of three modern centrifugal compressors for automotive turbocharging. The three methods used are single-zone, two-zone, and a more recent statistical method. The predicted results from each method are compared against empirical data taken from standard hot gas stand tests for each turbocharger. Each of the automotive turbochargers considered in this study have notably different geometries and are of varying application. Due to the non-adiabatic test conditions, the empirical data has been corrected for the effect of heat transfer to ensure comparability with the 1D models. Each method is evaluated for usability and accuracy in both pressure ratio and efficiency prediction. The paper presents an insight into the limitations of each of these models when applied to one-dimensional automotive turbocharger design, and proposes that a corrected single-zone modelling approach has the greatest potential for further development, whilst the statistical method could be immediately introduced to a design process where design variations are limited.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Design of B-spline neural networks using a bacterial programming approach

The design phase of B-spline neural networks represents a very high computational task. For this purpose, heuristics have been developed, but have been shown to be dependent on the initial conditions employed. In this paper a new technique, Bacterial Programming, is proposed, whose principles are based on the replication of the microbial evolution phenomenon. The performance of this approach is illustrated and compared with existing alternatives.

Methods for the transfer function design of multiple narrow-band bandpass sigma-delta modulators

This paper presents the design analysis of novel tunable narrow-band bandpass sigma-delta modulators, which can achieve concurrent multiple noise-shaping for multi-tone input signals. Four different design methodologies based on the noise transfer functions of comb filters, slink filters, multi-notch filters and fractional delay comb filters are applied for the design of these multiple-band sigma-delta modulators. The latter approach utilises conventional comb filters in conjunction with FIR, or allpass IIR fractional delay filters, to deliver the desired nulls for the quantisation noise transfer function. Detailed simulation results show that FIR fractional delay comb filter-based sigma-delta modulators tune accurately to most centre frequencies, but suffer from degraded resolution at frequencies close to Nyquist. However, superior accuracies are obtained from their allpass IIR fractional delay counterpart at the expense of a slight shift in noise-shaping bands at very high frequencies. The merits and drawbacks of each technique for the various sigma-delta topologies are assessed in terms of in-band signal-to-noise ratios, accuracy of tunability and coefficient complexity for ease of implementation.

Uncertainty propagation in inverse reliability-based design of composite structures

An approach for the analysis of uncertainty propagation in reliability-based design optimization of composite laminate structures is presented. Using the Uniform Design Method (UDM), a set of design points is generated over a domain centered on the mean reference values of the random variables. A methodology based on inverse optimal design of composite structures to achieve a specified reliability level is proposed, and the corresponding maximum load is outlined as a function of ply angle. Using the generated UDM design points as input/output patterns, an Artificial Neural Network (ANN) is developed based on an evolutionary learning process. Then, a Monte Carlo simulation using ANN development is performed to simulate the behavior of the critical Tsai number, structural reliability index, and their relative sensitivities as a function of the ply angle of laminates. The results are generated for uniformly distributed random variables on a domain centered on mean values. The statistical analysis of the results enables the study of the variability of the reliability index and its sensitivity relative to the ply angle. Numerical examples showing the utility of the approach for robust design of angle-ply laminates are presented.

Optimization process of polyester polymer mortars modified with recycled GFRP waste aggregates – application of factorial experiment design-

Glass fibre-reinforced plastics (GFRP), nowadays commonly used in the construction, transportation and automobile sectors, have been considered inherently difficult to recycle due to both: cross-linked nature of thermoset resins, which cannot be remolded, and complex composition of the composite itself, which includes glass fibres, matrix and different types of inorganic fillers. Presently, most of the GFRP waste is landfilled leading to negative environmental impacts and supplementary added costs. With an increasing awareness of environmental matters and the subsequent desire to save resources, recycling would convert an expensive waste disposal into a profitable reusable material. There are several methods to recycle GFR thermostable materials: (a) incineration, with partial energy recovery due to the heat generated during organic part combustion; (b) thermal and/or chemical recycling, such as solvolysis, pyrolisis and similar thermal decomposition processes, with glass fibre recovering; and (c) mechanical recycling or size reduction, in which the material is subjected to a milling process in order to obtain a specific grain size that makes the material suitable as reinforcement in new formulations. This last method has important advantages over the previous ones: there is no atmospheric pollution by gas emission, a much simpler equipment is required as compared with ovens necessary for thermal recycling processes, and does not require the use of chemical solvents with subsequent environmental impacts. In this study the effect of incorporation of recycled GFRP waste materials, obtained by means of milling processes, on mechanical behavior of polyester polymer mortars was assessed. For this purpose, different contents of recycled GFRP waste materials, with distinct size gradings, were incorporated into polyester polymer mortars as sand aggregates and filler replacements. The effect of GFRP waste treatment with silane coupling agent was also assessed. Design of experiments and data treatment were accomplish by means of factorial design and analysis of variance ANOVA. The use of factorial experiment design, instead of the one factor at-a-time method is efficient at allowing the evaluation of the effects and possible interactions of the different material factors involved. Experimental results were promising toward the recyclability of GFRP waste materials as polymer mortar aggregates, without significant loss of mechanical properties with regard to non-modified polymer mortars.