Analysis by finite element calculations of light scattering in laser-textured AZO films for PV thin-film solar cells

In the thin-film photovoltaic industry, to achieve a high light scattering in one or more of the cell interfaces is one of the strategies that allow an enhancement of light absorption inside the cell and, therefore, a better device behavior and efficiency. Although chemical etching is the standard method to texture surfaces for that scattering improvement, laser light has shown as a new way for texturizing different materials, maintaining a good control of the final topography with a unique, clean, and quite precise process. In this work AZO films with different texture parameters are fabricated. The typical parameters used to characterize them, as the root mean square roughness or the haze factor, are discussed and, for deeper understanding of the scattering mechanisms, the light behavior in the films is simulated using a finite element method code. This method gives information about the light intensity in each point of the system, allowing the precise characterization of the scattering behavior near the film surface, and it can be used as well to calculate a simulated haze factor that can be compared with experimental measurements. A discussion of the validation of the numerical code, based in a comprehensive comparison with experimental data is included.

Application of the Boundary Method to the determination of the properties of the beam cross-sections

Using the 3-D equations of linear elasticity and the asylllptotic expansion methods in terms of powers of the beam cross-section area as small parameter different beam theories can be obtained, according to the last term kept in the expansion. If it is used only the first two terms of the asymptotic expansion the classical beam theories can be recovered without resort to any "a priori" additional hypotheses. Moreover, some small corrections and extensions of the classical beam theories can be found and also there exists the possibility to use the asymptotic general beam theory as a basis procedure for a straightforward derivation of the stiffness matrix and the equivalent nodal forces of the beam. In order to obtain the above results a set of functions and constants only dependent on the cross-section of the beam it has to be computed them as solutions of different 2-D laplacian boundary value problems over the beam cross section domain. In this paper two main numerical procedures to solve these boundary value pf'oblems have been discussed, namely the Boundary Element Method (BEM) and the Finite Element Method (FEM). Results for some regular and geometrically simple cross-sections are presented and compared with ones computed analytically. Extensions to other arbitrary cross-sections are illustrated.

Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Sistema computacional com geração de dados e visualização de resultados para estrutura de edifícios

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema computacional, para a geração de dados e apresentação de resultados, específico para as estruturas de edifícios. As rotinas desenvolvidas devem trabalhar em conjunto com um sistema computacional para análise de estruturas com base no Método dos Elementos Finitos, contemplando tanto as estruturas de pavimentos; com a utilização de elementos de barra, placa/casca e molas; como as estruturas de contraventamento; com a utilização de elementos de barra tridimensional e recursos especiais como nó mestre e trechos rígidos. A linguagem computacional adotada para a elaboração das rotinas mencionadas é o Object Pascal do DELPHI, um ambiente de programação visual estruturado na programação orientada a objetos do Object Pascal. Essa escolha tem como objetivo, conseguir um sistema computacional onde alterações e adições de funções possam ser realizadas com facilidade, sem que todo o conjunto de programas precise ser analisado e modificado. Por fim, o programa deve servir como um verdadeiro ambiente para análise de estruturas de edifícios, controlando através de uma interface amigável com o usuário uma série de outros programas já desenvolvidos em FORTRAN, como por exemplo o dimensionamento de vigas, pilares, etc.

Análise numérica e experimental de juntas aeronáuticas rebitadas sob solicitação estática.

Uniões por prendedores são elementos amplamente utilizados na indústria aeronáutica para a união de partes constituintes da aeronave. Contudo, devido à sua geometria e aos carregamentos sofridos, estes elementos estão frequentemente sujeitos a falhas por fadiga. Assim, para um projeto e dimensionamento bem executado dessas juntas, é necessário conhecer seu comportamento mecânico e o campo de tensões ao qual estão sujeitas. O método dos elementos finitos certamente atende a estas necessidades; porém, o uso de elementos sólidos tridimensionais para a representação destas uniões pode levar a análises demasiadamente demoradas e custosas, sendo desejável o uso de modelos mais simplificados. Nesse trabalho, juntas de topo assimétricas são modeladas pelo método dos elementos finitos, utilizando tanto elementos sólidos tridimensionais quanto elementos de casca, com o objetivo de encontrar um modelo relativamente simples que apresente resultados satisfatórios e requeira um menor tempo de solução. Os resultados numéricos obtidos são comparados com resultados experimentais, que utilizam extensômetros e fotoelasticidade.

Elastografia em imagens de ultrassom utilizando elementos de contorno.

Este trabalho apresenta uma nova metodologia para elastografia virtual em imagens simuladas de ultrassom utilizando métodos numéricos e métodos de visão computacional. O objetivo é estimar o módulo de elasticidade de diferentes tecidos tendo como entrada duas imagens da mesma seção transversal obtidas em instantes de tempo e pressões aplicadas diferentes. Esta metodologia consiste em calcular um campo de deslocamento das imagens com um método de fluxo óptico e aplicar um método iterativo para estimar os módulos de elasticidade (análise inversa) utilizando métodos numéricos. Para o cálculo dos deslocamentos, duas formulações são utilizadas para fluxo óptico: Lucas-Kanade e Brox. A análise inversa é realizada utilizando duas técnicas numéricas distintas: o Método dos Elementos Finitos (MEF) e o Método dos Elementos de Contorno (MEC), sendo ambos implementados em Unidades de Processamento Gráfico de uso geral, GpGPUs ( \"General Purpose Graphics Units\" ). Considerando uma quantidade qualquer de materiais a serem determinados, para a implementação do Método dos Elementos de Contorno é empregada a técnica de sub-regiões para acoplar as matrizes de diferentes estruturas identificadas na imagem. O processo de otimização utilizado para determinar as constantes elásticas é realizado de forma semi-analítica utilizando cálculo por variáveis complexas. A metodologia é testada em três etapas distintas, com simulações sem ruído, simulações com adição de ruído branco gaussiano e phantoms matemáticos utilizando rastreamento de ruído speckle. Os resultados das simulações apontam o uso do MEF como mais preciso, porém computacionalmente mais caro, enquanto o MEC apresenta erros toleráveis e maior velocidade no tempo de processamento.

O elemento finito T6-3i na análise de placas e dinâmica de cascas.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações.

Finite Element Analysis of Thermal Buckling in Auotmotive Clutch and Brake Discs

Thermal buckling behavior of automotive clutch and brake discs is studied by making the use of finite element method. It is found that the temperature distribution along the radius and the thickness affects the critical buckling load considerably. The results indicate that a monotonic temperature profile leads to a coning mode with the highest temperature located at the inner radius. Whereas a temperature profile with the maximum temperature located in the middle leads to a dominant non-axisymmetric buckling mode, which results in a much higher buckling temperature. A periodic variation of temperature cannot lead to buckling. The temperature along the thickness can be simplified by the mean temperature method in the single material model. The thermal buckling analysis of friction discs with friction material layer, cone angle geometry and fixed teeth boundary conditions are also studied in detail. The angular geometry and the fixed teeth can improve the buckling temperature significantly. Young’s Modulus has no effect when single material is applied in the free or restricted conditions. Several equations are derived to validate the result. Young’s modulus ratio is a useful factor when the clutch has several material layers. The research findings from this paper are useful for automotive clutch and brake discs design against structural instability induced by thermal buckling.

Partial collapse of a ventilated stone façade: Diagnosis and analysis of the anchorage system

The mechanical behaviour of transventilated façades performed by natural stone is necessarily based on the correct execution of both anchoring elements on the stone cladding as in the ones corresponding to the enclosure support, either with brick masonry walls or reinforced concrete walls. In the case studied in the present work, the origin of the damages suffered on the façade of a building located in Alcoy has been analyzed, where the detachment of part of the outer enclosure occurred. This enclosure is a transventilated façade formed by Bateig Blue stone tiles. To this end, “in situ” tests of the anchoring systems employed have been performed, as well as laboratory tests of mechanical characterization of the material and of different types of anchor, comparing these results with those obtained in both the simplified analytical models of continuum mechanics as developed by the Finite Element Method (FEM).

Logic-Based Outer Approximation for the Design of Discrete-Continuous Dynamic Systems with Implicit Discontinuities

We address the optimization of discrete-continuous dynamic optimization problems using a disjunctive multistage modeling framework, with implicit discontinuities, which increases the problem complexity since the number of continuous phases and discrete events is not known a-priori. After setting a fixed alternative sequence of modes, we convert the infinite-dimensional continuous mixed-logic dynamic (MLDO) problem into a finite dimensional discretized GDP problem by orthogonal collocation on finite elements. We use the Logic-based Outer Approximation algorithm to fully exploit the structure of the GDP representation of the problem. This modelling framework is illustrated with an optimization problem with implicit discontinuities (diver problem).

Análisis numérico del comportamiento vibratorio del conjunto móvil de un altavoz dinámico

En este trabajo se describe el proceso llevado a cabo para analizar numéricamente mediante el método de los elementos finitos (MEF) el comportamiento vibratorio del conjunto móvil de un altavoz dinámico de bobina con doble suspensión inferior y en ausencia de la superior. El estudio se centra en el rango de baja frecuencia. El calibrado del modelo se realiza en base a medidas experimentales de la frecuencia de resonancia y desplazamiento del diafragma. Se hace énfasis en la importancia de los factores de participación asociados a la fuerza de excitación y en los cambios que se producen en estos al introducir fuerzas no equilibradas. Así mismo, el análisis proporciona datos para decidir sobre la distancia entre suspensiones, su número óptimo de pliegues y la ubicación de las trencillas, siendo estos parámetros de gran interés en el diseño de este tipo de altavoces.

A simple method to predict elastic settlements in foundations resting on two soils of differing deformability

This paper shows the analysis results obtained from more than 200 finite element method (FEM) models used to calculate the settlement of a foundation resting on two soils of differing deformability. The analysis considers such different parameters as the foundation geometry, the percentage of each soil in contact with the foundation base and the ratio of the soils’ elastic moduli. From the described analysis, it is concluded that the maximum settlement of the foundation, calculated by assuming that the foundation is completely resting on the most deformable soil, can be correlated with the settlement calculated by FEM models through a correction coefficient named “settlement reduction factor” (α). As a consequence, a novel expression is proposed for calculating the real settlement of a foundation resting on two soils of different deformability with maximum errors lower than 1.57%, as demonstrated by the statistical analysis carried out. A guide for the application of the proposed simple method is also explained in the paper. Finally, the proposed methodology has been validated using settlement data from an instrumented foundation, indicating that this is a simple, reliable and quick method which allows the computation of the maximum elastic settlement of a raft foundation, evaluates its suitability and optimises its selection process.

Refinement of finite element analysis of automobile structures under crash loading. Volume I. Summary final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Finite element model of a small automobile impacting a rigid pole. Final report.

Federal Highway Administration, Office of Safety and Traffic Operations Research Development, McLean, Va.

Development of a passenger vehicle finite element model.

Transportation Department, Washington, D.C.