Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

Scalable high-order UWB pulse generation employing an FBG-based photonic superstructure

In this letter, we propose and experimentally demonstrate a compact, flexible, and scalable ultrawideband (UWB) generator based on the merge of phase-to-intensity conversion and pulse shaping employing an fiber Bragg Grating-based superstructure. Our approach offers the capacity for generating high-order UWB pulses by means of the combination of various low-order derivatives. Moreover, the scheme permits the implementation of binary and multilevel modulation formats. Experimental measurements of the generated UWB pulses, in both time and frequency domain, are presented revealing efficiency and a proper fit in terms of Federal Communications Commission settled standards.

Health monitoring of a new hysteretic damper subjected to earthquakes on a shaking table

This paper presents the experimental results obtained by applying frequency-domain structural health monitoring techniques to assess the damage suffered on a special type of damper called Web Plastifying Damper (WPD). The WPD is a hysteretic type energy dissipator recently developed for the passive control of structures subjected to earthquakes. It consists of several I-section steel segments connected in parallel. The energy is dissipated through plastic deformations of the web of the I-sections, which constitute the dissipative parts of the damper. WPDs were subjected to successive histories of dynamically-imposed cyclic deformations of increasing magnitude with the shaking table of the University of Granada. To assess the damage to the web of the I-section steel segments after each history of loading, a new damage index called Area Index of Damage (AID) was obtained from simple vibration tests. The vibration signals were acquired by means of piezoelectric sensors attached on the I-sections, and non-parametric statistical methods were applied to calculate AID in terms of changes in frequency response functions. The damage index AID was correlated with another energy-based damage index-ID- which past research has proven to accurately characterize the level of mechanical damage. The ID is rooted in the decomposition of the load-displacement curve experienced by the damper into the so-called skeleton and Bauschinger parts. ID predicts the level of damage and the proximity to failure of the damper accurately, but it requires costly instrumentation. The experiments reported in this paper demonstrate a good correlation between AID and ID in a realistic seismic loading scenario consisting of dynamically applied arbitrary cyclic loads. Based on this correlation, it is possible to estimate ID indirectly from the AID, which calls for much simpler and less expensive instrumentation.

O EFEITO DO CONTROLE RESPIRATÓRIO EM VARIÁVEIS ELETROFISIOLÓGICAS DA ATENÇÃO

A prática do ioga tem se tornado cada vez mais popular, não apenas pelos benefícios físicos, mas principalmente pelo bem-estar psicológico trazido pela sua prática. Um dos componentes do ioga é o Prãnãyama, ou controle da respiração. A atenção e a respiração são dois mecanismos fisiológicos e involuntários requeridos para a execução do Prãnãyama. O principal objetivo desse estudo foi verificar se variáveis contínuas do EEG (potência de diferentes faixas que o compõem) seriam moduladas pelo controle respiratório, comparando-se separadamente as duas fases do ciclo respiratório (inspiração e expiração), na situação de respiração espontânea e controlada. Fizeram parte do estudo 19 sujeitos (7 homens/12 mulheres, idade média de 36,89 e DP = ± 14,46) que foram convidados a participar da pesquisa nas dependências da Faculdade de Saúde da Universidade Metodista de São Paulo. Para o registro do eletroencefalograma foi utilizado um sistema de posicionamento de cinco eletrodos Ag AgCl (FPz, Fz, Cz, Pz e Oz) fixados a uma touca de posicionamento rápido (Quick-Cap, Neuromedical Supplies®), em sistema 10-20. Foram obtidos valores de máxima amplitude de potência (espectro de potência no domínio da frequência) nas frequências teta, alfa e beta e delta e calculada a razão teta/beta nas diferentes fases do ciclo respiratório (inspiração e expiração), separadamente, nas condições de respiração espontânea e de controle respiratório. Para o registro do ciclo respiratório, foi utilizada uma cinta de esforço respiratório M01 (Pletismógrafo). Os resultados mostram diferenças significativas entre as condições de respiração espontânea e de controle com valores das médias da razão teta/beta menores na respiração controlada do que na respiração espontânea e valores de média da potência alfa sempre maiores no controle respiratório. Diferenças significativas foram encontradas na comparação entre inspiração e expiração da respiração controlada com diminuição dos valores das médias da razão teta/beta na inspiração e aumento nos valores das médias da potência alfa, sobretudo na expiração. Os achados deste estudo trazem evidências de que o controle respiratório modula variáveis eletrofisiológicas relativas à atenção refletindo um estado de alerta, porém mais relaxado do que na situação de respiração espontânea.

Visual stimuli induce waves of electrical activity in turtle cortex

The computations involved in the processing of a visual scene invariably involve the interactions among neurons throughout all of visual cortex. One hypothesis is that the timing of neuronal activity, as well as the amplitude of activity, provides a means to encode features of objects. The experimental data from studies on cat [Gray, C. M., Konig, P., Engel, A. K. & Singer, W. (1989) Nature (London) 338, 334–337] support a view in which only synchronous (no phase lags) activity carries information about the visual scene. In contrast, theoretical studies suggest, on the one hand, the utility of multiple phases within a population of neurons as a means to encode independent visual features and, on the other hand, the likely existence of timing differences solely on the basis of network dynamics. Here we use widefield imaging in conjunction with voltage-sensitive dyes to record electrical activity from the virtually intact, unanesthetized turtle brain. Our data consist of single-trial measurements. We analyze our data in the frequency domain to isolate coherent events that lie in different frequency bands. Low frequency oscillations (<5 Hz) are seen in both ongoing activity and activity induced by visual stimuli. These oscillations propagate parallel to the afferent input. Higher frequency activity, with spectral peaks near 10 and 20 Hz, is seen solely in response to stimulation. This activity consists of plane waves and spiral-like waves, as well as more complex patterns. The plane waves have an average phase gradient of ≈π/2 radians/mm and propagate orthogonally to the low frequency waves. Our results show that large-scale differences in neuronal timing are present and persistent during visual processing.

Noninvasive functional optical spectroscopy of human breast tissue

Near infrared diffuse optical spectroscopy and diffuse optical imaging are promising methods that eventually may enhance or replace existing technologies for breast cancer screening and diagnosis. These techniques are based on highly sensitive, quantitative measurements of optical and functional contrast between healthy and diseased tissue. In this study, we examine whether changes in breast physiology caused by exogenous hormones, aging, and fluctuations during the menstrual cycle result in significant alterations in breast tissue optical contrast. A noninvasive quantitative diffuse optical spectroscopy technique, frequency-domain photon migration, was used. Measurements were performed on 14 volunteer subjects by using a hand-held probe. Intrinsic tissue absorption and reduced scattering parameters were calculated from frequency-domain photon migration data. Wavelength-dependent absorption (at 674, 803, 849, and 956 nm) was used to determine tissue concentration of oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin, total hemoglobin, tissue hemoglobin oxygen saturation, and bulk water content. Results show significant and dramatic differences in optical properties between menopausal states. Average premenopausal intrinsic tissue absorption and reduced scattering values at each wavelength are 2.5- to 3-fold higher and 16–28% greater, respectively, than absorption and scattering for postmenopausal subjects. Absorption and scattering properties for women using hormone replacement therapy are intermediate between premenopausal and postmenopausal populations. Physiological properties show differences in mean total hemoglobin (7.0 μM, 11.8 μM, and 19.2 μM) and water concentration relative to pure water (10.9%, 15.3%, and 27.3%) for postmenopausal, hormone replacement therapy, and premenopausal subjects, respectively. Because of their unique, quantitative information content, diffuse optical methods may play an important role in breast diagnostics and improving our understanding of breast disease.

O nexo causal entre crédito rural e crescimento do produto agropecuário na economia brasileira

O nexo causal entre desenvolvimento financeiro e crescimento econômico vem ganhando destaque na literatura desde o início dos anos 1990. As principais linhas teóricas nessa área buscam demonstrar qual a significância da relação e o sentido da causalidade, se houver. Causalidade unidirecional no sentido do desenvolvimento financeiro para o crescimento econômico, bicausalidade entre ambos, e causalidade reversa, no sentido do crescimento para o desenvolvimento financeiro, são as principais hipóteses testadas nas pesquisas empíricas. O presente trabalho de tese tem por objetivo avaliar o nexo causal entre crédito (como um indicador do desenvolvimento financeiro) e crescimento no setor agropecuário brasileiro. O crédito rural como proporção do PIB agropecuário cresceu substancialmente desde meados da década de 90, passando de 15,44% em 1996 para 65,24% em 2014. Ao longo do período 1969-2014, a razão média anual entre crédito rural e PIB agropecuário foi de 43,87%. No mesmo período, o produto agropecuário cresceu em média 3,76% ao ano. Questiona-se se no mercado rural o crédito causa o crescimento agropecuário, se ocorre causalidade reversa ou se se opera a hipótese de bicausalidade. Para avaliar o nexo causal entre essas duas variáveis econômica foram empregados quatro procedimentos metodológicos: teste de causalidade de Granger em uma representação VAR com a abordagem de Toda e Yamamoto, teste de causalidade de Granger em um modelo FMOLS (Fully Modified OLS), teste de causalidade de Granger em um modelo ARDL (Autoregressive-Distributed Lag) e teste de causalidade de Granger no domínio da frequência, com o uso do método de Breitung e Candelon. Os resultados mostram de forma uniforme a presença de causalidade unidirecional do crédito rural para o crescimento do produto agropecuário. Causalidade reversa, no sentido do crescimento agropecuário para o crédito rural, não foi detectada de forma significativa em nenhum dos quatro métodos empregados. A não detecção de bicausalidade pode ser uma evidência do impacto da forte política de subsídio governamental ao crédito rural. A decisão do Governo quanto ao montante anual de crédito rural disponível a taxas de juros subsidiadas pode estar impedindo que o desempenho do setor, medido pela sua taxa de crescimento, exerça uma influência significativa na dinâmica do crédito rural. Os resultados também abrem a possibilidade a testar a hipótese de exogeneidade do crédito rural, o que seria uma extensão direta dos resultados obtidos.

Controle cooperativo aplicado a sistemas de posicionamento dinâmico.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. .

A finite element model of perforated panel absorbers including viscothermal effects

Most of the analytical models devoted to determine the acoustic properties of a rigid perforated panel consider the acoustic impedance of a single hole and then use the porosity to determine the impedance for the whole panel. However, in the case of not homogeneous hole distribution or more complex configurations this approach is no longer valid. This work explores some of these limitations and proposes a finite element methodology that implements the linearized Navier Stokes equations in the frequency domain to analyse the acoustic performance under normal incidence of perforated panel absorbers. Some preliminary results for a homogenous perforated panel show that the sound absorption coefficient derived from the Maa analytical model does not match those from the simulations. These differences are mainly attributed to the finite geometry effect and to the spatial distribution of the perforations for the numerical case. In order to confirm these statements, the acoustic field in the vicinities of the perforations is analysed for a more complex configuration of perforated panel. Additionally, experimental studies are carried out in an impedance tube for the same configuration and then compared to previous methods. The proposed methodology is shown to be in better agreement with the laboratorial measurements than the analytical approach.

Ultrasonic and X-ray computed tomography characterization of progressive fracture damage in low-porous carbonate rocks

This paper studies the fracturing process in low-porous rocks during uniaxial compressive tests considering the original defects and the new mechanical cracks in the material. For this purpose, five different kinds of rocks have been chosen with carbonate mineralogy and low porosity (lower than 2%). The characterization of the fracture damage is carried out using three different techniques: ultrasounds, mercury porosimetry and X-ray computed tomography. The proposed methodology allows quantifying the evolution of the porous system as well as studying the location of new cracks in the rock samples. Intercrystalline porosity (the smallest pores with pore radius < 1 μm) shows a limited development during loading, disappearing rapidly from the porosimetry curves and it is directly related to the initial plastic behaviour in the stress–strain patterns. However, the biggest pores (corresponding to the cracks) suffer a continuous enlargement until the unstable propagation of fractures. The measured crack initiation stress varies between 0.25 σp and 0.50 σp for marbles and between 0.50 σp and 0.85 σp for micrite limestone. The unstable propagation of cracks is assumed to occur very close to the peak strength. Crack propagation through the sample is completely independent of pre-existing defects (porous bands, stylolites, fractures and veins). The ultrasonic response in the time-domain is less sensitive to the fracture damage than the frequency-domain. P-wave velocity increases during loading test until the beginning of the unstable crack propagation. This increase is higher for marbles (between 15% and 30% from initial vp values) and lower for micrite limestones (between 5% and 10%). When the mechanical cracks propagate unstably, the velocity stops to increase and decreases only when rock damage is very high. Frequency analysis of the ultrasonic signals shows clear changes during the loading process. The spectrum of treated waveforms shows two main frequency peaks centred at low (~ 20 kHz) and high (~ 35 kHz) values. When new fractures appear and grow the amplitude of the high-frequency peak decreases, while that of the low-frequency peak increases. Besides, a slight frequency shift is observed towards higher frequencies.

Parameters of the Earths orbit for the last 5 Million years in 1 kyr resolution

New values for the astronomical parameters of the Earth's orbit and rotation (eccentricity, obliquity and precession) are proposed for paleoclimatic research related to the Late Miocene, the Pliocene and the Quaternary. They have been obtained from a numerical solution of the Lagrangian system of the planetary point masses and from an analytical solution of the Poisson equations of the Earth-Moon system. The analytical expansion developed in this paper allows the direct determination of the main frequencies with their phase and amplitude. Numerical and analytical comparisons with the former astronomical solution BER78 are performed so that the accuracy and the interval of time over which the new solution is valid can be estimated. The corresponding insolation values have also been computed and compared to the former ones. This analysis leads to the conclusion that the new values are expected to be reliable over the last 5 Ma in the time domain and at least over the last 10 Ma in the frequency domain.

Experimental muscle pain changes feedforward postural responses of the trunk muscles

Many studies have identified changes in trunk muscle recruitment in clinical low back pain (LBP). However, due to the heterogeneity of the LBP population these changes have been variable and it has been impossible to identify a cause-effect relationship. Several studies have identified a consistent change in the feed-forward postural response of transversus abdominis (TrA), the deepest abdominal muscle, in association with arm movements in chronic LBP. This study aimed to determine whether the feedforward recruitment of the trunk muscles in a postural task could be altered by acute experimentally induced LBP. Electromyographic (EMG) recordings of the abdominal and paraspinal muscles were made during arm movements in a control trial, following the injection of isotonic (non-painful) and hypertonic (painful) saline into the longissimus muscle at L4, and during a 1-h follow-up. Movements included rapid arm flexion in response to a light and repetitive arm flexion-extension. Temporal and spatial EMG parameters were measured. The onset and amplitude of EMG of most muscles was changed in a variable manner during the period of experimentally induced pain. However, across movement trials and subjects the activation of TrA was consistently reduced in amplitude or delayed. Analyses in the time and frequency domain were used to confirm these findings. The results suggest that acute experimentally induced pain may affect feedforward postural activity of the trunk muscles. Although the response was variable, pain produced differential changes in the motor control of the trunk muscles, with consistent impairment of TrA activity.

Rainfall variability at decadal and longer time scales: signal or noise?

Rainfall variability occurs over a wide range of temporal scales. Knowledge and understanding of such variability can lead to improved risk management practices in agricultural and other industries. Analyses of temporal patterns in 100 yr of observed monthly global sea surface temperature and sea level pressure data show that the single most important cause of explainable, terrestrial rainfall variability resides within the El Nino-Southern Oscillation (ENSO) frequency domain (2.5-8.0 yr), followed by a slightly weaker but highly significant decadal signal (9-13 yr), with some evidence of lesser but significant rainfall variability at interclecadal time scales (15-18 yr). Most of the rainfall variability significantly linked to frequencies tower than ENSO occurs in the Australasian region, with smaller effects in North and South America, central and southern Africa, and western Europe. While low-frequency (LF) signals at a decadal frequency are dominant, the variability evident was ENSO-like in all the frequency domains considered. The extent to which such LF variability is (i) predictable and (ii) either part of the overall ENSO variability or caused by independent processes remains an as yet unanswered question. Further progress can only be made through mechanistic studies using a variety of models.

Computational modeling of optical trapping of vaterite microspheres

The ability to grow microscopic spherical birefringent crystals of vaterite, a calcium carbonate mineral, has allowed the development of an optical microrheometer based on optical tweezers. However, since these crystals are birefringent, and worse, are expected to have non-uniform birefringence, computational modeling of the microrheometer is a highly challenging task. Modeling the microrheometer - and optical tweezers in general - typically requires large numbers of repeated calculations for the same trapped particle. This places strong demands on the efficiency of computational methods used. While our usual method of choice for computational modelling of optical tweezers - the T-matrix method - meets this requirement of efficiency, it is restricted to homogeneous isotropic particles. General methods that can model complex structures such as the vaterite particles, such as finite-difference time-domain (FDTD) or finite-difference frequency-domain (FDFD) methods, are inefficient. Therefore, we have developed a hybrid FDFD/T-matrix method that combines the generality of volume-discretisation methods such as FDFD with the efficiency of the T-matrix method. We have used this hybrid method to calculate optical forces and torques on model vaterite spheres in optical traps. We present and compare the results of computational modelling and experimental measurements.

Sviluppo e applicazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali in leghe di acciaio e alluminio

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.