A general technique to embed non-uniform discontinuities into standard solid finite elements

A general technique to embed non-uniform displacement discontinuities into standard solid finite elements is presented. The technique is based on the decomposition of the kinematic fields into a component related to the deformation of the solid portion of the element and one related to the rigid-body motion due to a displacement discontinuity. This decomposition simplifies the incorporation of discontinuity interfaces and provides a suitable framework to account for non-uniform discontinuity modes. The present publication addresses two families of finite element formulations: displacement-based and stress hybrid finite element. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Análise teórica e experimental da energia despendida no exercício de extensão do joelho para aplicações em engenharia de reabilitação

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Mancais magnéticos ativos para atenuação de vibrações em eixos rotativos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Modular Hyperthermostable Bacterial Endo-beta-1, 4-Mannanase: Molecular Shape, Flexibility and Temperature-Dependent Conformational Changes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Modelagem numérica do escoamento em válvulas de compressores alternativos pelo método da fronteira imersa com refinamento adaptativo

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Assessment of nose protector for sport activities: finite element analysis

There has been a significant increase in the number of facial fractures stemming from sport activities in recent years, with the nasal bone one of the most affected structures. Researchers recommend the use of a nose protector, but there is no standardization regarding the material employed. Clinical experience has demonstrated that a combination of a flexible and rigid layer of ethylene vinyl acetate (EVA) offers both comfort and safety to practitioners of sports. The aim of the present study was the investigation into the stresses generated by the impact of a rigid body on the nasal bone on models with and without an EVA protector. For such, finite element analysis was employed. A craniofacial model was constructed from images obtained through computed tomography. The nose protector was modeled with two layers of EVA (1 mm of rigid EVA over 2 mm of flexible EVA), following the geometry of the soft tissue. Finite element analysis was performed using the LS Dyna program. The bone and rigid EVA were represented as elastic linear material, whereas the soft tissues and flexible EVA were represented as hyperelastic material. The impact from a rigid sphere on the frontal region of the face was simulated with a constant velocity of 20 m s-1 for 9.1 mu s. The model without the protector served as the control. The distribution of maximal stress of the facial bones was recorded. The maximal stress on the nasal bone surpassed the breaking limit of 0.130.34 MPa on the model without a protector, while remaining below this limit on the model with the protector. Thus, the nose protector made from both flexible and rigid EVA proved effective at protecting the nasal bones under high-impact conditions.

Path planning for image based visual servoing

This thesis deals with Visual Servoing and its strictly connected disciplines like projective geometry, image processing, robotics and non-linear control. More specifically the work addresses the problem to control a robotic manipulator through one of the largely used Visual Servoing techniques: the Image Based Visual Servoing (IBVS). In Image Based Visual Servoing the robot is driven by on-line performing a feedback control loop that is closed directly in the 2D space of the camera sensor. The work considers the case of a monocular system with the only camera mounted on the robot end effector (eye in hand configuration). Through IBVS the system can be positioned with respect to a 3D fixed target by minimizing the differences between its initial view and its goal view, corresponding respectively to the initial and the goal system configurations: the robot Cartesian Motion is thus generated only by means of visual informations. However, the execution of a positioning control task by IBVS is not straightforward because singularity problems may occur and local minima may be reached where the reached image is very close to the target one but the 3D positioning task is far from being fulfilled: this happens in particular for large camera displacements, when the the initial and the goal target views are noticeably different. To overcame singularity and local minima drawbacks, maintaining the good properties of IBVS robustness with respect to modeling and camera calibration errors, an opportune image path planning can be exploited. This work deals with the problem of generating opportune image plane trajectories for tracked points of the servoing control scheme (a trajectory is made of a path plus a time law). The generated image plane paths must be feasible i.e. they must be compliant with rigid body motion of the camera with respect to the object so as to avoid image jacobian singularities and local minima problems. In addition, the image planned trajectories must generate camera velocity screws which are smooth and within the allowed bounds of the robot. We will show that a scaled 3D motion planning algorithm can be devised in order to generate feasible image plane trajectories. Since the paths in the image are off-line generated it is also possible to tune the planning parameters so as to maintain the target inside the camera field of view even if, in some unfortunate cases, the feature target points would leave the camera images due to 3D robot motions. To test the validity of the proposed approach some both experiments and simulations results have been reported taking also into account the influence of noise in the path planning strategy. The experiments have been realized with a 6DOF anthropomorphic manipulator with a fire-wire camera installed on its end effector: the results demonstrate the good performances and the feasibility of the proposed approach.

On Designing Compliant Actuators Based On Dielectric Elastomers

Dielectric Elastomers (DE) are incompressible dielectrics which can experience deviatoric (isochoric) finite deformations in response to applied large electric fields. Thanks to the strong electro-mechanical coupling, DE intrinsically offer great potentialities for conceiving novel solid-state mechatronic devices, in particular linear actuators, which are more integrated, lightweight, economic, silent, resilient and disposable than equivalent devices based on traditional technologies. Such systems may have a huge impact in applications where the traditional technology does not allow coping with the limits of weight or encumbrance, and with problems involving interaction with humans or unknown environments. Fields such as medicine, domotic, entertainment, aerospace and transportation may profit. For actuation usage, DE are typically shaped in thin films coated with compliant electrodes on both sides and piled one on the other to form a multilayered DE. DE-based Linear Actuators (DELA) are entirely constituted by polymeric materials and their overall performance is highly influenced by several interacting factors; firstly by the electromechanical properties of the film, secondly by the mechanical properties and geometry of the polymeric frame designed to support the film, and finally by the driving circuits and activation strategies. In the last decade, much effort has been focused in the devolvement of analytical and numerical models that could explain and predict the hyperelastic behavior of different types of DE materials. Nevertheless, at present, the use of DELA is limited. The main reasons are 1) the lack of quantitative and qualitative models of the actuator as a whole system 2) the lack of a simple and reliable design methodology. In this thesis, a new point of view in the study of DELA is presented which takes into account the interaction between the DE film and the film supporting frame. Hyperelastic models of the DE film are reported which are capable of modeling the DE and the compliant electrodes. The supporting frames are analyzed and designed as compliant mechanisms using pseudo-rigid body models and subsequent finite element analysis. A new design methodology is reported which optimize the actuator performances allowing to specifically choose its inherent stiffness. As a particular case, the methodology focuses on the design of constant force actuators. This class of actuators are an example of how the force control could be highly simplified. Three new DE actuator concepts are proposed which highlight the goodness of the proposed method.

Mica fish in mylonites

Mögliche Verformungsmechanismen, die zu den verschiedenen Glimmer- und Mineralfischen führen, sind: intrakristalline Verformung, Kristallrotation, Biegung und Faltung, Drucklösung in Kombination mit Ausfällung und dynamische Rekristallisation oder Mechanismen, die ein großes Mineral in mehrere kleine, fischförmige Kristalle aufspalten.Experimente mit ein neues Verformungsgerät und Objekten in zwei verschiedenen Matrixmaterialien werden beschrieben. Das eine ist PDMS, (Newtonianisch viskoses Polymer), und das andere Tapioca Perlen (Mohr-Couloumb Verhalten). Die Rotation von fischförmigen Objekten in PDMS stimmt mit der theoretischen Rotationsrate für ellipsenförmige Objekte in einem Newtonianischen Material überein. In einer Matrix von Tapioca Perlen nehmen die Objekte eine stabile Lage ein. Diese Orientierung ist vergleichbar mit der von Glimmerfischen. Die Verformung in der Matrix von Tapioca Perlen ist konzentriert auf dünne Scherzonen. Diese Ergebnisse implizieren, daß die Verformung in natürlichen Gesteinen auch in dünnen Scherzonen konzentriert ist.Computersimulationen werden beschrieben, mit denen der Einfluß der Eigenschaften einer Matrix auf die Rotation von Objekten und Verteilung von Deformation untersucht wird.Mit diesen Experimenten wird gezeigt, daß die Orientierung von Glimmerfischen nicht mit Verformung in einem nicht-linearen viskosen Material erklärt werden kann. Eine solche nicht-lineare Rheologie wird im Allgemeinen für die Erdkurste angenommen. Die stabile Orientierung eines Objektes kann mit weicheren Lagen in der Matrix erklärt werden.

10 Å cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin and Limulus polyphemus hemocyanin

In the present study, the quaternary structures of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 and Limulus polyphemus hemocyanin, both proteins from the hemocyanin superfamily, were elucidated to a 10 Å resolution with the technique of cryo-EM 3D-reconstruction. Furthermore, molecular modelling and rigid-body fitting allowed a detailed insight into the cryo-EM structures at atomic level. The results are summarised as follows: Hexamerin 1. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 is the first quaternary structure of a protein from the group of the insect storage proteins. 2. The hexamerin LSP-2 is a hexamer of six bean-shaped subunits that occupy the corners of a trigonal antiprism, yielding a D3 (32) point-group symmetry. 3. Molecular modelling and rigid-body fitting of the hexamerin LSP-2 sequence showed a significant correlation between amino acid inserts in the primary structure and additional masses of the cryo-EM structure that are not present in the published quaternary structures of chelicerate and crustacean hemocyanins. 4. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 confirms that the arthropod hexameric structure is applicable to insect storage proteins. Hemocyanin 1. The cryo-EM structure of the 8×6mer Limulus polyphemus hemocyanin is the highest resolved quaternary structure of an oligo-hexameric arthropod hemocyanin so far. 2. The hemocyanin is build of 48 bean-shaped subunits which are arranged in eight hexamers, yielding an 8×6mer with a D2 (222) point-group symmetry. The 'basic building blocks' are four 2×6mers that form two 4×6mers in an anti-parallel manner, latter aggregate 'face-to-face' to the 8×6mer. 3. The morphology of the 8×6mer was gauged and described very precisely on the basis of the cryo-EM structure. 4. Based on earlier topology studies of the eight different subunit types of Limulus polyphemus hemocyanin, eleven types of interhexamer interfaces have been identified that in the native 8×6mer sum up to 46 inter-hexamer bridges - 24 within the four 2×6mers, 10 to establish the two 4×6mers, and 12 to assemble the two 4×6mers into an 8×6mer. 5. Molecular modelling and rigid-body fitting of Limulus polyphemus and orthologous Erypelma californicum sequences allowed to assign very few amino acids to each of these interfaces. These amino acids now serve as candidates for the chemical bonds between the eight hexamers. 6. Most of the inter-hexamer contacts are conspicuously histidine-rich and evince constellations of amino acids that could constitute the basis for the allosteric interactions between the hexamers. 7. The cryo-EM structure of Limulus polyphemus hemocyanin opens the door to a fundamental understanding of the function of this highly cooperative protein.

A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffness and Stress Characteristics

Geometric nonlinearities of flexure hinges introduced by large deflections often complicate the analysis of compliant mechanisms containing such members, and therefore, Pseudo-Rigid-Body Models (PRBMs) have been well proposed and developed by Howell [1994] to analyze the characteristics of slender beams under large deflection. These models, however, fail to approximate the characteristics for the deep beams (short beams) or the other flexure hinges. Lobontiu's work [2001] contributed to the diverse flexure hinge analysis building on the assumptions of small deflection, which also limits the application range of these flexure hinges and cannot analyze the stiffness and stress characteristics of these flexure hinges for large deflection. Therefore, the objective of this thesis is to analyze flexure hinges considering both the effects of large-deflection and shear force, which guides the design of flexure-based compliant mechanisms. The main work conducted in the thesis is outlined as follows. 1. Three popular types of flexure hinges: (circular flexure hinges, elliptical flexure hinges and corner-filleted flexure hinges) are chosen for analysis at first. 2. Commercial software (Comsol) based Finite Element Analysis (FEA) method is then used for correcting the errors produced by the equations proposed by Lobontiu when the chosen flexure hinges suffer from large deformation. 3. Three sets of generic design equations for the three types of flexure hinges are further proposed on the basis of stiffness and stress characteristics from the FEA results. 4. A flexure-based four-bar compliant mechanism is finally studied and modeled using the proposed generic design equations. The load-displacement relationships are verified by a numerical example. The results show that a maximum error about the relationship between moment and rotation deformation is less than 3.4% for a flexure hinge, and it is lower than 5% for the four-bar compliant mechanism compared with the FEA results.

Die Verbindung von Kleinwinkelstreuung und in silico-Methodik zur Aufklärung von Konformationswechseln großer Proteinkomplexe

In dieser Dissertation wurden die Methoden Homologiemodellierung und Molekulardynamik genutzt, um die Struktur und das Verhalten von Proteinen in Lösung zu beschreiben. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung wurden die mit den Computermethoden erzeugten Vorhersagen verifiziert. Für das alpha-Hämolysin, ein Toxin von Staphylococcus aureus, das eine heptamere Pore formen kann, wurde erstmalig die monomere Struktur des Protein in Lösung beschrieben. Homologiemodellierung auf Basis verwandter Proteine, deren monomere Struktur bekannt war, wurde verwendet, um die monomere Struktur des Toxins vorherzusagen. Flexibilität von Strukturelementen in einer Molekulardynamiksimulation konnte mit der Funktionalität des Proteines korreliert werden: Intrinsische Flexibilität versetzt das Protein in die Lage den Konformationswechsel zur Pore nach Assemblierung zu vollziehen. Röntgenkleinwinkelstreuung bewies die Unterschiede der monomeren Struktur zu den Strukturen der verwandten Proteine und belegt den eigenen Vorschlag zur Struktur. Überdies konnten Arbeiten an einer Mutante, die in einer sogenannten Präporenkonformation arretiert und nicht in der Lage ist eine Pore zu formen, zeigen, dass dieser Übergangszustand mit der Rotationsachse senkrecht zur Membran gelagert ist. Eine geometrische Analyse beweist, dass es sterisch möglich ist ausgehend von dieser Konformation die Konformation der Pore zu erreichen. Eine energetische und kinetische Analyse dieses Konformationswechsels steht noch aus. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit den Konformationswechseln von Hämocyaninen. Diese wurden experimentell mittels Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Konformationswechsel im Zusammenhang mit der Oxygenierung konnten für die 24meren Hämocyanine von Eurypelma californicum und Pandinus imperator beschrieben werden. Für eine Reihe von Hämocyaninen ist nachgewiesen, dass sie unter Einfluss des Agenz SDS Tyrosinaseaktivität entfalten können. Der Konformationswechsel der Hämocyanine von E. californicum und P. imperator bei der Aktivierung zur Tyrosinase mittels SDS wurde experimentell bestätigt und die Stellung der Dodekamere der Hämocyanine als wesentlich bei der Aktivierung festgestellt. Im Zusammenhang mit anderen Arbeiten gilt damit die Relaxierung der Struktur unter SDS-Einfluss und der sterische Einfluss auf die verbindenden Untereinheiten b & c als wahrscheinliche Ursache für die Aktivierung zur Tyrosinase. Eigene Software zum sogenannten rigid body-Modellierung auf der Basis von Röntgenkleinwinkelstreudaten wurde erstellt, um die Streudaten des hexameren Hämocyanins von Palinurus elephas und Palinurus argus unter Einfluss der Effektoren Urat und Koffein strukturell zu interpretieren. Die Software ist die erste Implementierung eines Monte Carlo-Algorithmus zum rigid body-Modelling. Sie beherrscht zwei Varianten des Algorithmus: In Verbindung mit simulated annealing können wahrscheinliche Konformationen ausgefiltert werden und in einer anschließenden systematischen Analyse kann eine Konformation geometrisch beschrieben werden. Andererseits ist ein weiterer, reiner Monte Carlo-Algorithmus in der Lage die Konformation als Dichteverteilung zu beschreiben.

Nonlinear Control of Magnetically Actuated Spacecraft

The topic of this thesis is the feedback stabilization of the attitude of magnetically actuated spacecraft. The use of magnetic coils is an attractive solution for the generation of control torques on small satellites flying inclined low Earth orbits, since magnetic control systems are characterized by reduced weight and cost, higher reliability, and require less power with respect to other kinds of actuators. At the same time, the possibility of smooth modulation of control torques reduces coupling of the attitude control system with flexible modes, thus preserving pointing precision with respect to the case when pulse-modulated thrusters are used. The principle based on the interaction between the Earth's magnetic field and the magnetic field generated by the set of coils introduces an inherent nonlinearity, because control torques can be delivered only in a plane that is orthogonal to the direction of the geomagnetic field vector. In other words, the system is underactuated, because the rotational degrees of freedom of the spacecraft, modeled as a rigid body, exceed the number of independent control actions. The solution of the control issue for underactuated spacecraft is also interesting in the case of actuator failure, e.g. after the loss of a reaction-wheel in a three-axes stabilized spacecraft with no redundancy. The application of well known control strategies is no longer possible in this case for both regulation and tracking, so that new methods have been suggested for tackling this particular problem. The main contribution of this thesis is to propose continuous time-varying controllers that globally stabilize the attitude of a spacecraft, when magneto-torquers alone are used and when a momentum-wheel supports magnetic control in order to overcome the inherent underactuation. A kinematic maneuver planning scheme, stability analyses, and detailed simulation results are also provided, with new theoretical developments and particular attention toward application considerations.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn