Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Finite-Elemente-Mehrgitter von Molekülen

Im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie wurden Orbitalfunktionale wie z.B. B3LYP entwickelt. Diese lassen sich mit der „optimized effective potential“ – Methode selbstkonsistent auswerten. Während sie früher nur im 1D-Fall genau berechnet werden konnte, entwickelten Kümmel und Perdew eine Methode, bei der das OEP-Problem unter Verwendung einer Differentialgleichung selbstkonsistent gelöst werden kann. In dieser Arbeit wird ein Finite-Elemente-Mehrgitter-Verfahren verwendet, um die entstehenden Gleichungen zu lösen und damit Energien, Dichten und Ionisationsenergien für Atome und zweiatomige Moleküle zu berechnen. Als Orbitalfunktional wird dabei der „exakte Austausch“ verwendet; das Programm ist aber leicht auf jedes beliebige Funktional erweiterbar. Für das Be-Atom ließ sich mit 8.Ordnung –FEM die Gesamtenergien etwa um 2 Größenordnungen genauer berechnen als der Finite-Differenzen-Code von Makmal et al. Für die Eigenwerte und die Eigenschaften der Atome N und Ne wurde die Genauigkeit anderer numerischer Methoden erreicht. Die Rechenzeit wuchs erwartungsgemäß linear mit der Punktzahl. Trotz recht langsamer scf-Konvergenz wurden für das Molekül LiH Genauigkeiten wie bei FD und bei HF um 2-3 Größenordnungen bessere als mit Basismethoden erzielt. Damit zeigt sich, dass auf diese Weise benchmark-Rechnungen durchgeführt werden können. Diese dürften wegen der schnellen Konvergenz über der Punktzahl und dem geringen Zeitaufwand auch auf schwerere Systeme ausweitbar sein.

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisi paramètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Modelo tridimensional del tendón del músculo supraespinoso

Introducción: Teniendo en cuenta el envejecimiento de la población y la alta prevalencia de las lesiones del manguito rotador no es de extrañar que esta patología se convierta en un problema de salud pública. Se sabe que el aumento en el tamaño de una lesión se asocia con la aparición de síntomas, pero no existen herramientas que permitan predecir la evolución del tamaño de una lesión. Con esto en mente se desarrollo una línea de investigación para estudiar el mecanismo de falla que inicia con la realización de un modelo tridimensional de un tendón del musculo supraespinoso sano. Materiales y métodos: Se caracterizo el tendón del músculo supraespinoso aplicando cargas uniaxiales a 7 complejos humero-tendón-escápula cadavéricos. Con los datos obtenidos se alimento un modelo tridimensional lineal isotrópico analizando la concentración de esfuerzos de von Misses Resultados: Del ensayo uniaxial se obtuvieron curvas esfuerzo-deformación homogéneas para el 20% de la deformación inicial, obteniendo un modulo de Young (14.4±2.3MPa) y un coeficiente de Poisson (0.14) con una concentración de esfuerzos de en la zona central de la cara articular del tendón, cercana a su inserción. Encontramos una disminución del 5% en los esfuerzos al retirar el acromion del modelo. Conclusiones: Se caracterizó de manera exitosa y se obtuvo un modelo tridimensional del tendón. La distribución de esfuerzos es compatible con la reportada en la literatura. El acromion no tiene mayor importancia en la magnitud de los esfuerzos en nuestro modelo. Este es el punto de partida para estudiar el mecanismo de falla.

A Galerkin boundary element method for high frequency scattering by convex polygons

In this paper we consider the problem of time-harmonic acoustic scattering in two dimensions by convex polygons. Standard boundary or finite element methods for acoustic scattering problems have a computational cost that grows at least linearly as a function of the frequency of the incident wave. Here we present a novel Galerkin boundary element method, which uses an approximation space consisting of the products of plane waves with piecewise polynomials supported on a graded mesh, with smaller elements closer to the corners of the polygon. We prove that the best approximation from the approximation space requires a number of degrees of freedom to achieve a prescribed level of accuracy that grows only logarithmically as a function of the frequency. Numerical results demonstrate the same logarithmic dependence on the frequency for the Galerkin method solution. Our boundary element method is a discretization of a well-known second kind combined-layer-potential integral equation. We provide a proof that this equation and its adjoint are well-posed and equivalent to the boundary value problem in a Sobolev space setting for general Lipschitz domains.

How to save a bad element with weak boundary conditions

The P-1-P-1 finite element pair is known to allow the existence of spurious pressure (surface elevation) modes for the shallow water equations and to be unstable for mixed formulations. We show that this behavior is strongly influenced by the strong or the weak enforcement of the impermeability boundary conditions. A numerical analysis of the Stommel model is performed for both P-1-P-1 and P-1(NC)-P-1 mixed formulations. Steady and transient test cases are considered. We observe that the P-1-P-1 element exhibits stable discrete solutions with weak boundary conditions or with fully unstructured meshes. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Scale-invariant moving finite elements for nonlinear partial differential equations in two dimensions

A scale-invariant moving finite element method is proposed for the adaptive solution of nonlinear partial differential equations. The mesh movement is based on a finite element discretisation of a scale-invariant conservation principle incorporating a monitor function, while the time discretisation of the resulting system of ordinary differential equations is carried out using a scale-invariant time-stepping which yields uniform local accuracy in time. The accuracy and reliability of the algorithm are successfully tested against exact self-similar solutions where available, and otherwise against a state-of-the-art h-refinement scheme for solutions of a two-dimensional porous medium equation problem with a moving boundary. The monitor functions used are the dependent variable and a monitor related to the surface area of the solution manifold. (c) 2005 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Reduced-order modeling of light transport in tissue for real-time monitoring of brain hemodynamics using diffuse optical tomography

This paper proposes a new reconstruction method for diffuse optical tomography using reduced-order models of light transport in tissue. The models, which directly map optical tissue parameters to optical flux measurements at the detector locations, are derived based on data generated by numerical simulation of a reference model. The reconstruction algorithm based on the reduced-order models is a few orders of magnitude faster than the one based on a finite element approximation on a fine mesh incorporating a priori anatomical information acquired by magnetic resonance imaging. We demonstrate the accuracy and speed of the approach using a phantom experiment and through numerical simulation of brain activation in a rat's head. The applicability of the approach for real-time monitoring of brain hemodynamics is demonstrated through a hypercapnic experiment. We show that our results agree with the expected physiological changes and with results of a similar experimental study. However, by using our approach, a three-dimensional tomographic reconstruction can be performed in ∼3  s per time point instead of the 1 to 2 h it takes when using the conventional finite element modeling approach

Evaluation of simulated sea-ice concentrations from sea-ice/ocean models using satellite data and polynya classification methods

Sea-ice concentrations in the Laptev Sea simulated by the coupled North Atlantic-Arctic Ocean-Sea-Ice Model and Finite Element Sea-Ice Ocean Model are evaluated using sea-ice concentrations from Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System satellite data and a polynya classification method for winter 2007/08. While developed to simulate largescale sea-ice conditions, both models are analysed here in terms of polynya simulation. The main modification of both models in this study is the implementation of a landfast-ice mask. Simulated sea-ice fields from different model runs are compared with emphasis placed on the impact of this prescribed landfast-ice mask. We demonstrate that sea-ice models are not able to simulate flaw polynyas realistically when used without fast-ice description. Our investigations indicate that without landfast ice and with coarse horizontal resolution the models overestimate the fraction of open water in the polynya. This is not because a realistic polynya appears but due to a larger-scale reduction of ice concentrations and smoothed ice-concentration fields. After implementation of a landfast-ice mask, the polynya location is realistically simulated but the total open-water area is still overestimated in most cases. The study shows that the fast-ice parameterization is essential for model improvements. However, further improvements are necessary in order to progress from the simulation of large-scale features in the Arctic towards a more detailed simulation of smaller-scaled features (here polynyas) in an Arctic shelf sea.

An unstructured CVFEM and moving interface algorithm for non-Newtonian Hele-Shaw flows in injection molding

Purpose - The purpose of this paper is to develop a novel unstructured simulation approach for injection molding processes described by the Hele-Shaw model. Design/methodology/approach - The scheme involves dual dynamic meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset. The quasi-static pressure solution in each timestep for this evolving unstructured mesh system is approximated using a control volume finite element method formulation coupled to a corresponding modified volume of fluid method. The flow is considered to be isothermal and non-Newtonian. Findings - Supporting numerical tests and performance studies for polystyrene described by Carreau, Cross, Ellis and Power-law fluid models are conducted. Results for the present method are shown to be comparable to those from other methods for both Newtonian fluid and polystyrene fluid injected in different mold geometries. Research limitations/implications - With respect to the methodology, the background pointset infers a mesh that is dynamically reconstructed here, and there are a number of efficiency issues and improvements that would be relevant to industrial applications. For instance, one can use the pointset to construct special bases and invoke a so-called ""meshless"" scheme using the basis. This would require some interesting strategies to deal with the dynamic point enrichment of the moving front that could benefit from the present front treatment strategy. There are also issues related to mass conservation and fill-time errors that might be addressed by introducing suitable projections. The general question of ""rate of convergence"" of these schemes requires analysis. Numerical results here suggest first-order accuracy and are consistent with the approximations made, but theoretical results are not available yet for these methods. Originality/value - This novel unstructured simulation approach involves dual meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset: local active dual patches are constructed ""on-the-fly"" for each ""active point"" to form a dynamic virtual mesh of active elements that evolves with the moving interface.

Mastication effort study using photorefractive holographic interferometry technique

The purpose of this work was the force-displacement response analysis of the masticatory process in a dried human skull by Double-Exposure Photorefractive Holographic Interferometry Technique (2E-PRHI). The load concentration and dissipation of the forces from dried human skull were analysed at applied loading stands as a Simulation of Isolated Contraction (SIC) of some mastication muscles. The 2EHI and Fringe Analysis Method were used to obtain the quantitative results of this force-displacement response. These results document quantitatively the real biomechanical response from dried human skull under applied loading and it can be used for complementary study by finite element model and others analysis type. Crown Copyright (C) 2009 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Análise numérica e experimental do comportamento de fundações superficiais assentes em solo melhorado

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de camadas superficiais de solo melhorado como base de fundações superficiais. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de placa de 30 cm de diâmetro sobre camadas de solo residual compactado e de solo tratado com cimento (teor de 5% de cimento), ambas com 60 cm de espessura. O programa experimental também incluiu a retirada de amostras de campo das camadas de solo melhorado para a execução de ensaios triaxiais drenados (CID) com medida interna de deformações, a fim de obter parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. Uma comparação entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras retiradas em campo e moldadas em laboratório (Rohlfes Junior, 1996) é apresentada. A diferença entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras de campo e laboratório foi significativa para o caso das amostras de solo melhorado com cimento, tal fato é atribuído principalmente a dificuldade de mistura em campo. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga x recalque das placas assentes sobre camadas de solo melhorado. O modelo Pseudo-Elástico Não Linear (Hiperbólico) foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento dos novos materiais. Os resultados dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento carga x recalque do solo natural (Cudmani, 1994). A analise do comportamento de fundações superficiais assentes em solos estratificados, através de simulações numéricas, demonstrou ser eficiente para a previsão do comportamento carga x recalque das mesmas.

Estudo do comportamento de um solo mole tratado com cal, visando seu uso em fundações superficiais

Neste trabalho foi analisada a melhoria nas características de um solo mole quando tratado com cal, bem como a viabilidade técnica de se utilizar este novo material como uma camada suporte de fundações superficiais. O solo estudado classifica-se pedologicamente como Gley Húmico e a jazida localiza-se no município de Canoas/RS, às margens da BR 386. O trabalho teve as seguintes finalidades: realizar um estudo da influência dos diferentes teores de cal sobre as características tensão x deformação do solo tratado; verificar o ganho de resistência com o tempo de cura; modelar o comportamerito tensão x deformação do material tratado; realizar simulações numéricas, através do Método dos Elementos Finitos, do comportamento carga x recalque de fundações continuas flexíveis assentes sobre o novo material. Adotou-se o teor ótimo de cal (obtido pelo método de Eades & Grim, 1966) de 9% e dois valores inferiores de 7% e 5%. Realizaram-se os seguintes ensaios sobre o solo natural e as misturas de solo-cal: limites de Atterberg, compactação, granulometria, difratograma de raio X, permeabilidade (triaxial) e ensaios triaxiais adensados não drenados(CIU). Todos os ensaios foram realizados para três tempos de cura (7, 28 e 90 dias) e os corpos de prova foram curados em câmara úmida. Para modelar o comportamento tensão x deformação do solo melhorado, adotou-se o Modelo Hiperbólico e para o solo natural o Modelo Cam-Clay Modificado. O Modelo Hiperbólico foi implementado no software CRISPSO, desenvolvido na Universidade de Cambridge, Inglaterra. O software foi utilizado em um estudo paramétrico para determinar a influência do processo de estabilização no comportamento carga x recalque de fundações superficiais. Dos resultados obtidos, concluiu-se: que o método de Eades & Grim (1966) não mostrou-se adequado para determinação do teor ótimo de cal; houve, de maneira geral, melhora nas características físicas com o tratamento com cal; não houve ganho de resistência com o tempo de cura; o modelo hiperbólico representou bem o comportamento das misturas de solo cal e a colocação de uma camada de solo tratado apresenta melhoras no comportamento carga x recalque de fundações superficiais contínuas flexíveis.

Técnicas de avaliação da confiabilidade em estruturas de concreto armado

Neste trabalho é dado ênfase à inclusão das incertezas na avaliação do comportamento estrutural, objetivando uma melhor representação das características do sistema e uma quantificação do significado destas incertezas no projeto. São feitas comparações entre as técnicas clássicas existentes de análise de confiabilidade, tais como FORM, Simulação Direta Monte Carlo (MC) e Simulação Monte Carlo com Amostragem por Importância Adaptativa (MCIS), e os métodos aproximados da Superfície de Resposta( RS) e de Redes Neurais Artificiais(ANN). Quando possível, as comparações são feitas salientando- se as vantagens e inconvenientes do uso de uma ou de outra técnica em problemas com complexidades crescentes. São analisadas desde formulações com funções de estado limite explícitas até formulações implícitas com variabilidade espacial de carregamento e propriedades dos materiais, incluindo campos estocásticos. É tratado, em especial, o problema da análise da confiabilidade de estruturas de concreto armado incluindo o efeito da variabilidade espacial de suas propriedades. Para tanto é proposto um modelo de elementos finitos para a representação do concreto armado que incorpora as principais características observadas neste material. Também foi desenvolvido um modelo para a geração de campos estocásticos multidimensionais não Gaussianos para as propriedades do material e que é independente da malha de elementos finitos, assim como implementadas técnicas para aceleração das avaliações estruturais presentes em qualquer das técnicas empregadas. Para o tratamento da confiabilidade através da técnica da Superfície de Resposta, o algoritmo desenvolvido por Rajashekhar et al(1993) foi implementado. Já para o tratamento através de Redes Neurais Artificias, foram desenvolvidos alguns códigos para a simulação de redes percéptron multicamada e redes com função de base radial e então implementados no algoritmo de avaliação de confiabilidade desenvolvido por Shao et al(1997). Em geral, observou-se que as técnicas de simulação tem desempenho bastante baixo em problemas mais complexos, sobressaindo-se a técnica de primeira ordem FORM e as técnicas aproximadas da Superfície de Resposta e de Redes Neurais Artificiais, embora com precisão prejudicada devido às aproximações presentes.

Ferramentas para análise dinâmica e estrutural de um reboque de linha leve

Neste trabalho é desenvolvida uma metodologia de projeto para identificar as regiões críticas da estrutura de um reboque de linha leve sendo tracionado em pavimentos do tipo rodovia de baixa qualidade e estrada secundária de muito baixa qualidade. Para tanto, são levantados alguns dados experimentais da estrutura, necessários para a aproximação e simulação dinâmica de um modelo simplificado. A excitação da base é realizada por atuadores que simulam as oscilações verticais de um perfil de estrada, a qual é definida de acordo com os estudos realizados por Dodds e Robson (1973). Isto permite a determinação de um histórico de carregamentos das regiões da estrutura do chassi sob a ação das molas da suspensão. Em seguida, é gerado um modelo estrutural simplificado do reboque em elementos finitos, chamado de global, no qual são determinadas as regiões sob ação das maiores tensões. Tendo identificada a região mais crítica da estrutura, é criado um modelo local desta parte, onde se pode observar a distribuição de tensões com mais detalhe, permitindo a identificação dos pontos de concentração de tensões. Desta forma, com a aplicação do método de análise global-local é possível a obtenção de resultados detalhados quanto aos esforços da estrutura com um menor custo computacional.