Aplicação da Simulação de Monte Carlo no estudo de testes de fadiga em rodas agrícolas

Due to the increasing demand from clients and the search for better performances in the heavy vehicles industry, a progressive evolution in technology in a general way was needed. This paper uses a scientific method to validate, prior to its manufacture, the project of an agricultural wheel for sugar cane harvesters. Monte Carlo Simulation is used in conjunction with Finite Elements Method, in order to simulate the wheel's behavior in a cornering test, identify possible failure regions and get an estimate for its life under fatigue. To this end, test conditions according to EUWA Standards were simulated and obeyed, relevant to fatigue. Simulation results were interesting, according to industry experts involved in the project and manufacture of the product in question, and have provided important elements for the decision making regarding improvements that could be made on the product project before its execution

Evaluating Measurement Invariance with Censored Ordinal Data: A Monte Carlo Comparison of Alternative Model Estimators and Scales of Measurement

Evaluations of measurement invariance provide essential construct validity evidence. However, the quality of such evidence is partly dependent upon the validity of the resulting statistical conclusions. The presence of Type I or Type II errors can render measurement invariance conclusions meaningless. The purpose of this study was to determine the effects of categorization and censoring on the behavior of the chi-square/likelihood ratio test statistic and two alternative fit indices (CFI and RMSEA) under the context of evaluating measurement invariance. Monte Carlo simulation was used to examine Type I error and power rates for the (a) overall test statistic/fit indices, and (b) change in test statistic/fit indices. Data were generated according to a multiple-group single-factor CFA model across 40 conditions that varied by sample size, strength of item factor loadings, and categorization thresholds. Seven different combinations of model estimators (ML, Yuan-Bentler scaled ML, and WLSMV) and specified measurement scales (continuous, censored, and categorical) were used to analyze each of the simulation conditions. As hypothesized, non-normality increased Type I error rates for the continuous scale of measurement and did not affect error rates for the categorical scale of measurement. Maximum likelihood estimation combined with a categorical scale of measurement resulted in more correct statistical conclusions than the other analysis combinations. For the continuous and censored scales of measurement, the Yuan-Bentler scaled ML resulted in more correct conclusions than normal-theory ML. The censored measurement scale did not offer any advantages over the continuous measurement scale. Comparing across fit statistics and indices, the chi-square-based test statistics were preferred over the alternative fit indices, and ΔRMSEA was preferred over ΔCFI. Results from this study should be used to inform the modeling decisions of applied researchers. However, no single analysis combination can be recommended for all situations. Therefore, it is essential that researchers consider the context and purpose of their analyses.

Aplicação da Simulação de Monte Carlo no estudo de testes de fadiga em rodas agrícolas

Due to the increasing demand from clients and the search for better performances in the heavy vehicles industry, a progressive evolution in technology in a general way was needed. This paper uses a scientific method to validate, prior to its manufacture, the project of an agricultural wheel for sugar cane harvesters. Monte Carlo Simulation is used in conjunction with Finite Elements Method, in order to simulate the wheel's behavior in a cornering test, identify possible failure regions and get an estimate for its life under fatigue. To this end, test conditions according to EUWA Standards were simulated and obeyed, relevant to fatigue. Simulation results were interesting, according to industry experts involved in the project and manufacture of the product in question, and have provided important elements for the decision making regarding improvements that could be made on the product project before its execution

Supernova neutrinos in AMANDA and IceCube - Monte Carlo development and data analysis

Supernovae are among the most energetic events occurring in the universe and are so far the only verified extrasolar source of neutrinos. As the explosion mechanism is still not well understood, recording a burst of neutrinos from such a stellar explosion would be an important benchmark for particle physics as well as for the core collapse models. The neutrino telescope IceCube is located at the Geographic South Pole and monitors the antarctic glacier for Cherenkov photons. Even though it was conceived for the detection of high energy neutrinos, it is capable of identifying a burst of low energy neutrinos ejected from a supernova in the Milky Way by exploiting the low photomultiplier noise in the antarctic ice and extracting a collective rate increase. A signal Monte Carlo specifically developed for water Cherenkov telescopes is presented. With its help, we will investigate how well IceCube can distinguish between core collapse models and oscillation scenarios. In the second part, nine years of data taken with the IceCube precursor AMANDA will be analyzed. Intensive data cleaning methods will be presented along with a background simulation. From the result, an upper limit on the expected occurrence of supernovae within the Milky Way will be determined.

Monte Carlo simulations of nucleation of colloidal crystals

A crystal nucleus in a finite volume may exhibit phase coexistence with a surrounding fluid. The thermodynamic properties of the coexisting fluid (pressure and chemical potential) are enhanced relative to their coexistence values. This enhancement is uniquely related to the surface excess free energy. rnA model for weakly attractive soft colloidal particles is investigated, the so called Asakura-Oosawa model. In simulations, this model allows for the calculation of the pressure in the liquid using the virial formula directly. The phase coexistence pressure in the thermodynamic limit is obtained from the interface velocity method. We introduce a method by which the chemical potential in dense liquids can be measured. There is neither a need to locate the interface nor to compute the anisotropic interfacial tension to obtain nucleation barriers. Therefore, our analysis is appropriate for nuclei of arbitrary shape. Monte Carlo simulations over a wide range of nucleus volumes yield to nucleation barriers independent from the total system volume. The interfacial tension is determined via the ensemble-switch method, hence a detailed test of classical nucleation theory is possible. The anisotropy of the interfacial tension and the resulting non-spherical shape has only a minor effect on the barrier for the Asakura-Oosawa model.

A 3-D CT assisted Monte Carlo evaluation of intracavitary brachytherapy implants

Intracavitary brachytherapy (ICB) combined with external beam irradiation for treatment of cervical cancer is highly successful in achieving local control. The M.D. Anderson Cancer Center employs Fletcher Suit Delclos (FSD) applicators. FSD applicators contain shields to limit dose to critical structures. Dosimetric evaluation of ICB implants is limited to assessing dose at reference points. These points serve as surrogates for treatment intensity and critical structure dose. Several studies have mentioned that the ICRU38 reference points inadequately characterize the dose distribution. Also, the ovoid shields are rarely considered in dosimetry. ^ The goal of this dissertation was to ascertain the influence of the ovoid shields on patient dose distributions. Monte Carlo dosimetry (MCD) was applied to patient computed tomography(CT) scans. These data were analyzed to determine the effect of the shields on dose to standard reference points and the bladder and rectum. The hypothesis of this work is that the ICRU38 bladder and rectal points computed conventionally are not clinically acceptable surrogates for the maximum dose points as determined by MCD. ^ MCD was applied to the tandem and ovoids. The FSD ovoids and tandem were modeled in a single input file that allowed dose to be calculated for any patient. Dose difference surface histograms(DDSH) were computed for the bladder and rectum. Reference point doses were compared between shielded and unshielded ovoids, and a commercial treatment planning system. ^ The results of this work showed the tandem tip screw caused a 33% reduction in dose. The ovoid shields reduced the dose by a maximum of 48.9%. DDSHs revealed on average 5% of the bladder surface area was spared 53 cGy and 5% of the rectal surface area was spared 195 cGy. The ovoid shields on average reduced the dose by 18% for the bladder point and 25% for the rectal point. The Student's t-test revealed the ICRU38 bladder and rectal points do not predict the maximum dose for these organs. ^ It is concluded that modeling the tandem and ovoid internal structures is necessary for accurate dose calculations, the bladder shielding segments may not be necessary, and that the ICRU38 bladder point is irrelevant. ^

A new PET prototype for proton therapy: comparison of data and Monte Carlo simulations

Ion beam therapy is a valuable method for the treatment of deep-seated and radio-resistant tumors thanks to the favorable depth-dose distribution characterized by the Bragg peak. Hadrontherapy facilities take advantage of the specific ion range, resulting in a highly conformal dose in the target volume, while the dose in critical organs is reduced as compared to photon therapy. The necessity to monitor the delivery precision, i.e. the ion range, is unquestionable, thus different approaches have been investigated, such as the detection of prompt photons or annihilation photons of positron emitter nuclei created during the therapeutic treatment. Based on the measurement of the induced β+ activity, our group has developed various in-beam PET prototypes: the one under test is composed by two planar detector heads, each one consisting of four modules with a total active area of 10 × 10 cm2. A single detector module is made of a LYSO crystal matrix coupled to a position sensitive photomultiplier and is read-out by dedicated frontend electronics. A preliminary data taking was performed at the Italian National Centre for Oncological Hadron Therapy (CNAO, Pavia), using proton beams in the energy range of 93–112 MeV impinging on a plastic phantom. The measured activity profiles are presented and compared with the simulated ones based on the Monte Carlo FLUKA package.

Review and comparison of effective delayed neutron fraction calculation methods with Monte Carlo codes

The calculation of the effective delayed neutron fraction, beff , with Monte Carlo codes is a complex task due to the requirement of properly considering the adjoint weighting of delayed neutrons. Nevertheless, several techniques have been proposed to circumvent this difficulty and obtain accurate Monte Carlo results for beff without the need of explicitly determining the adjoint flux. In this paper, we make a review of some of these techniques; namely we have analyzed two variants of what we call the k-eigenvalue technique and other techniques based on different interpretations of the physical meaning of the adjoint weighting. To test the validity of all these techniques we have implemented them with the MCNPX code and we have benchmarked them against a range of critical and subcritical systems for which either experimental or deterministic values of beff are available. Furthermore, several nuclear data libraries have been used in order to assess the impact of the uncertainty in nuclear data in the calculated value of beff .

Enhanced conformational sampling in Monte Carlo simulations of proteins: application to a constrained peptide.

A Monte Carlo simulation method for globular proteins, called extended-scaled-collective-variable (ESCV) Monte Carlo, is proposed. This method combines two Monte Carlo algorithms known as entropy-sampling and scaled-collective-variable algorithms. Entropy-sampling Monte Carlo is able to sample a large configurational space even in a disordered system that has a large number of potential barriers. In contrast, scaled-collective-variable Monte Carlo provides an efficient sampling for a system whose dynamics is highly cooperative. Because a globular protein is a disordered system whose dynamics is characterized by collective motions, a combination of these two algorithms could provide an optimal Monte Carlo simulation for a globular protein. As a test case, we have carried out an ESCV Monte Carlo simulation for a cell adhesive Arg-Gly-Asp-containing peptide, Lys-Arg-Cys-Arg-Gly-Asp-Cys-Met-Asp, and determined the conformational distribution at 300 K. The peptide contains a disulfide bridge between the two cysteine residues. This bond mimics the strong geometrical constraints that result from a protein's globular nature and give rise to highly cooperative dynamics. Computation results show that the ESCV Monte Carlo was not trapped at any local minimum and that the canonical distribution was correctly determined.

Identifying stationary series in panels: A Monte Carlo evaluation of sequential panel selection methods

Sequential panel selection methods (spsms — procedures that sequentially use conventional panel unit root tests to identify I(0)I(0) time series in panels) are increasingly used in the empirical literature. We check the reliability of spsms by using Monte Carlo simulations based on generating directly the individual asymptotic pp values to be combined into the panel unit root tests, in this way isolating the classification abilities of the procedures from the small sample properties of the underlying univariate unit root tests. The simulations consider both independent and cross-dependent individual test statistics. Results suggest that spsms may offer advantages over time series tests only under special conditions.

A medida e as escalas de avaliação da saúde das populações neonatais e pediátricas : estudo de simulação de Monte Carlo com variáveis ordinais

A investigação na área da saúde e a utilização dos seus resultados tem funcionado como base para a melhoria da qualidade de cuidados, exigindo dos profissionais de saúde conhecimentos na área específica onde desempenham funções, conhecimentos em metodologia de investigação que incluam as técnicas de observação, técnicas de recolha e análise de dados, para mais facilmente serem leitores capacitados dos resultados da investigação. Os profissionais de saúde são observadores privilegiados das respostas humanas à saúde e à doença, podendo contribuir para o desenvolvimento e bem-estar dos indivíduos muitas vezes em situações de grande vulnerabilidade. Em saúde infantil e pediatria o enfoque está nos cuidados centrados na família privilegiando-se o desenvolvimento harmonioso da criança e jovem, valorizando os resultados mensuráveis em saúde que permitam determinar a eficácia das intervenções e a qualidade de saúde e de vida. No contexto pediátrico realçamos as práticas baseadas na evidência, a importância atribuída à pesquisa e à aplicação dos resultados da investigação nas práticas clínicas, assim como o desenvolvimento de instrumentos de mensuração padronizados, nomeadamente as escalas de avaliação, de ampla utilização clínica, que facilitam a apreciação e avaliação do desenvolvimento e da saúde das crianças e jovens e resultem em ganhos em saúde. A observação de forma sistematizada das populações neonatais e pediátricas com escalas de avaliação tem vindo a aumentar, o que tem permitido um maior equilíbrio na avaliação das crianças e também uma observação baseada na teoria e nos resultados da investigação. Alguns destes aspetos serviram de base ao desenvolvimento deste trabalho que pretende dar resposta a 3 objetivos fundamentais. Para dar resposta ao primeiro objetivo, “Identificar na literatura científica, os testes estatísticos mais frequentemente utilizados pelos investigadores da área da saúde infantil e pediatria quando usam escalas de avaliação” foi feita uma revisão sistemática da literatura, que tinha como objetivo analisar artigos científicos cujos instrumentos de recolha de dados fossem escalas de avaliação, na área da saúde da criança e jovem, desenvolvidas com variáveis ordinais, e identificar os testes estatísticos aplicados com estas variáveis. A análise exploratória dos artigos permitiu-nos verificar que os investigadores utilizam diferentes instrumentos com diferentes formatos de medida ordinal (com 3, 4, 5, 7, 10 pontos) e tanto aplicam testes paramétricos como não paramétricos, ou os dois em simultâneo, com este tipo de variáveis, seja qual for a dimensão da amostra. A descrição da metodologia nem sempre explicita se são cumpridas as assunções dos testes. Os artigos consultados nem sempre fazem referência à distribuição de frequência das variáveis (simetria/assimetria) nem à magnitude das correlações entre os itens. A leitura desta bibliografia serviu de suporte à elaboração de dois artigos, um de revisão sistemática da literatura e outro de reflexão teórica. Apesar de terem sido encontradas algumas respostas às dúvidas com que os investigadores e os profissionais, que trabalham com estes instrumentos, se deparam, verifica-se a necessidade de desenvolver estudos de simulação que confirmem algumas situações reais e alguma teoria já existente, e trabalhem outros aspetos nos quais se possam enquadrar os cenários reais de forma a facilitar a tomada de decisão dos investigadores e clínicos que utilizam escalas de avaliação. Para dar resposta ao segundo objetivo “Comparar a performance, em termos de potência e probabilidade de erro de tipo I, das 4 estatísticas da MANOVA paramétrica com 2 estatísticas da MANOVA não paramétrica quando se utilizam variáveis ordinais correlacionadas, geradas aleatoriamente”, desenvolvemos um estudo de simulação, através do Método de Monte Carlo, efetuado no Software R. O delineamento do estudo de simulação incluiu um vetor com 3 variáveis dependentes, uma variável independente (fator com três grupos), escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5, e 7 pontos, diferentes probabilidades marginais (p1 para distribuição simétrica, p2 para distribuição assimétrica positiva, p3 para distribuição assimétrica negativa e p4 para distribuição uniforme) em cada um dos três grupos, correlações de baixa, média e elevada magnitude (r=0.10, r=0.40, r=0.70, respetivamente), e seis dimensões de amostras (n=30, 60, 90, 120, 240, 300). A análise dos resultados permitiu dizer que a maior raiz de Roy foi a estatística que apresentou estimativas de probabilidade de erro de tipo I e de potência de teste mais elevadas. A potência dos testes apresenta comportamentos diferentes, dependendo da distribuição de frequência da resposta aos itens, da magnitude das correlações entre itens, da dimensão da amostra e do formato de medida da escala. Tendo por base a distribuição de frequência, considerámos três situações distintas: a primeira (com probabilidades marginais p1,p1,p4 e p4,p4,p1) em que as estimativas da potência eram muito baixas, nos diferentes cenários; a segunda situação (com probabilidades marginais p2,p3,p4; p1,p2,p3 e p2,p2,p3) em que a magnitude das potências é elevada, nas amostras com dimensão superior ou igual a 60 observações e nas escalas com 3, 4,5 pontos e potências de magnitude menos elevada nas escalas com 7 pontos, mas com a mesma ma magnitude nas amostras com dimensão igual a 120 observações, seja qual for o cenário; a terceira situação (com probabilidades marginais p1,p1,p2; p1,p2,p4; p2,p2,p1; p4,p4,p2 e p2,p2,p4) em que quanto maiores, a intensidade das correlações entre itens e o número de pontos da escala, e menor a dimensão das amostras, menor a potência dos testes, sendo o lambda de Wilks aplicado às ordens mais potente do que todas as outra s estatísticas da MANOVA, com valores imediatamente a seguir à maior raiz de Roy. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com dimensão superior a 90 observações (com correlações de baixa e média magnitude), entre as variáveis dependentes nas escalas com 3, 4 e 5 pontos; e superiores a 240 observações, para correlações de baixa intensidade, nas escalas com 7 pontos. No estudo de simulação e tendo por base a distribuição de frequência, concluímos que na primeira situação de simulação e para os diferentes cenários, as potências são de baixa magnitude devido ao facto de a MANOVA não detetar diferenças entre grupos pela sua similaridade. Na segunda situação de simulação e para os diferentes cenários, a magnitude das potências é elevada em todos os cenários cuja dimensão da amostra seja superior a 60 observações, pelo que é possível aplicar testes paramétricos. Na terceira situação de simulação, e para os diferentes cenários quanto menor a dimensão da amostra e mais elevada a intensidade das correlações e o número de pontos da escala, menor a potência dos testes, sendo a magnitude das potências mais elevadas no teste de Wilks aplicado às ordens, seguido do traço de Pillai aplicado às ordens. No entanto, a magnitude das potências dos testes paramétricos e não paramétricos assemelha-se nas amostras com maior dimensão e correlações de baixa e média magnitude. Para dar resposta ao terceiro objetivo “Enquadrar os resultados da aplicação da MANOVA paramétrica e da MANOVA não paramétrica a dados reais provenientes de escalas de avaliação com um formato de medida com 3, 4, 5 e 7 pontos, nos resultados do estudo de simulação estatística” utilizaram-se dados reais que emergiram da observação de recém-nascidos com a escala de avaliação das competências para a alimentação oral, Early Feeding Skills (EFS), o risco de lesões da pele, com a Neonatal Skin Risk Assessment Scale (NSRAS), e a avaliação da independência funcional em crianças e jovens com espinha bífida, com a Functional Independence Measure (FIM). Para fazer a análise destas escalas foram realizadas 4 aplicações práticas que se enquadrassem nos cenários do estudo de simulação. A idade, o peso, e o nível de lesão medular foram as variáveis independentes escolhidas para selecionar os grupos, sendo os recém-nascidos agrupados por “classes de idade gestacional” e por “classes de peso” as crianças e jovens com espinha bífida por “classes etárias” e “níveis de lesão medular”. Verificou-se um bom enquadramento dos resultados com dados reais no estudo de simulação.