Simulação numérica do comportamento dinâmico de uma laje

Nesta dissertação pretende-se simular o comportamento dinâmico de uma laje de betão armado aplicando o Método de Elementos Finitos através da sua implementação no programa FreeFEM++. Este programa permite-nos a análise do modelo matemático tridimensional da Teoria da Elasticidade Linear, englobando a Equação de Equilíbrio, Equação de Compatibilidade e Relações Constitutivas. Tratando-se de um problema dinâmico é necessário recorrer a métodos numéricos de Integração Directa de modo a obter a resposta em termos de deslocamento ao longo do tempo. Para este trabalho escolhemos o Método de Newmark e o Método de Euler para a discretização temporal, um pela sua popularidade e o outro pela sua simplicidade de implementação. Os resultados obtidos pelo FreeFEM++ são validados através da comparação com resultados adquiridos a partir do SAP2000 e de Soluções Teóricas, quando possível.

Measuring and Controlling the Chaotic Motion of Profits

The study of economic systems has generated deep interest in exploring the complexity of chaotic motions in economy. Due to important developments in nonlinear dynamics, the last two decades have witnessed strong revival of interest in nonlinear endogenous business chaotic models. The inability to predict the behavior of dynamical systems in the presence of chaos suggests the application of chaos control methods, when we are more interested in obtaining regular behavior. In the present article, we study a specific economic model from the literature. More precisely, a system of three ordinary differential equations gather the variables of profits, reinvestments and financial flow of borrowings in the structure of a firm. Firstly, using results of symbolic dynamics, we characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences, associated with one-dimensional maps that reproduce significant aspects of the model dynamics. The analysis of the variation of this numerical invariant, in some realistic system parameter region, allows us to quantify and to distinguish different chaotic regimes. Finally, we show that complicated behavior arising from the chaotic firm model can be controlled without changing its original properties and the dynamics can be turned into the desired attracting time periodic motion (a stable steady state or into a regular cycle). The orbit stabilization is illustrated by the application of a feedback control technique initially developed by Romeiras et al. [1992]. This work provides another illustration of how our understanding of economic models can be enhanced by the theoretical and numerical investigation of nonlinear dynamical systems modeled by ordinary differential equations.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Fractional model for malaria transmission under control strategies

We study a fractional model for malaria transmission under control strategies.Weconsider the integer order model proposed by Chiyaka et al. (2008) in [15] and modify it to become a fractional order model. We study numerically the model for variation of the values of the fractional derivative and of the parameter that models personal protection, b. From observation of the figures we conclude that as b is increased from 0 to 1 there is a corresponding decrease in the number of infectious humans and infectious mosquitoes, for all values of α. This means that this result is invariant for variation of fractional derivative, in the values tested. These results are in agreement with those obtained in Chiyaka et al.(2008) [15] for α = 1.0 and suggest that our fractional model is epidemiologically wellposed.

Local fractional variational iteration and decomposition methods for wave equation on cantor sets within local fractional operators

We perform a comparison between the fractional iteration and decomposition methods applied to the wave equation on Cantor set. The operators are taken in the local sense. The results illustrate the significant features of the two methods which are both very effective and straightforward for solving the differential equations with local fractional derivative.

Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications

The fractional order calculus (FOC) is as old as the integer one although up to recently its application was exclusively in mathematics. Many real systems are better described with FOC differential equations as it is a well-suited tool to analyze problems of fractal dimension, with long-term “memory” and chaotic behavior. Those characteristics have attracted the engineers' interest in the latter years, and now it is a tool used in almost every area of science. This paper introduces the fundamentals of the FOC and some applications in systems' identification, control, mechatronics, and robotics, where it is a promissory research field.

analytical model and measurements of the target erosion depth profile of balanced and unbalanced planar magnetron cathodes

The erosion depth profile of planar targets in balanced and unbalanced magnetron cathodes with cylindrical symmetry is measured along the target radius. The magnetic fields have rotational symmetry. The horizontal and vertical components of the magnetic field B are measured at points above the cathode target with z = 2 x 10(-3) m. The experimental data reveal that the target erosion depth profile is a function of the angle. made by B with a horizontal line defined by z = 2 x 10(-3) m. To explain this dependence a simplified model of the discharge is developed. In the scope of the model, the pathway lengths of the secondary electrons in the pre-sheath region are calculated by analytical integration of the Lorentz differential equations. Weighting these lengths by using the distribution law of the mean free path of the secondary electrons, we estimate the densities of the ionizing events over the cathode and the relative flux of the sputtered atoms. The expression so deduced correlates for the first time the erosion depth profile of the target with the angle theta. The model shows reasonably good fittings to the experimental target erosion depth profiles confirming that ionization occurs mainly in the pre-sheath zone.

Invariant integrals applied to nematic liquid crystals with small Ericksen number and topological defects

Invariant integrals are derived for nematic liquid crystals and applied to materials with small Ericksen number and topological defects. The nematic material is confined between two infinite plates located at y = -h and y = h (h is an element of R+) with a semi-infinite plate at y = 0 and x < 0. Planar and homeotropic strong anchoring boundary conditions to the director field are assumed at these two infinite and semi-infinite plates, respectively. Thus, a line disclination appears in the system which coincides with the z-axis. Analytical solutions to the director field in the neighbourhood of the singularity are obtained. However, these solutions depend on an arbitrary parameter. The nematic elastic force is thus evaluated from an invariant integral of the energy-momentum tensor around a closed surface which does not contain the singularity. This allows one to determine this parameter which is a function of the nematic cell thickness and the strength of the disclination. Analytical solutions are also deduced for the director field in the whole region using the conformal mapping method. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Playing Newtonian Games with Modellus

This article is a short introduction on how to use Modellus (a computer package that is freely available on the Internet and used in the IOP Advancing Physics course) to build physics games using Newton’s laws, expressed as differential equations. Solving systems of differential equations is beyond most secondary-school or first-year college students. However, with Modellus, the solution is simply the output of the usual physical reasoning: define the force law, compute its magnitude and components, use it to obtain the acceleration components, then the velocity components and, finally, use the velocity components to find the coordinates.

Comments on ‘‘Modeling fractional stochastic systems as non-random fractional dynamics driven Brownian motions

Applied Mathematical Modelling, Vol.33

Controling delayed transitions with applications to prevent single species extinctions

A new method is proposed to control delayed transitions towards extinction in single population theoretical models with discrete time undergoing saddle-node bifurcations. The control method takes advantage of the delaying properties of the saddle remnant arising after the bifurcation, and allows to sustain populations indefinitely. Our method, which is shown to work for deterministic and stochastic systems, could generally be applied to avoid transitions tied to one-dimensional maps after saddle-node bifurcations.

Dynamic programming for a Markov-switching jump–diffusion

We consider an optimal control problem with a deterministic finite horizon and state variable dynamics given by a Markov-switching jump–diffusion stochastic differential equation. Our main results extend the dynamic programming technique to this larger family of stochastic optimal control problems. More specifically, we provide a detailed proof of Bellman’s optimality principle (or dynamic programming principle) and obtain the corresponding Hamilton–Jacobi–Belman equation, which turns out to be a partial integro-differential equation due to the extra terms arising from the Lévy process and the Markov process. As an application of our results, we study a finite horizon consumption– investment problem for a jump–diffusion financial market consisting of one risk-free asset and one risky asset whose coefficients are assumed to depend on the state of a continuous time finite state Markov process. We provide a detailed study of the optimal strategies for this problem, for the economically relevant families of power utilities and logarithmic utilities.

Foraging at the Edge of Chaos: Internal Clock versus External Forcing

Activity rhythms in animal groups arise both from external changes in the environment, as well as from internal group dynamics. These cycles are reminiscent of physical and chemical systems with quasiperiodic and even chaotic behavior resulting from “autocatalytic” mechanisms. We use nonlinear differential equations to model how the coupling between the self-excitatory interactions of individuals and external forcing can produce four different types of activity rhythms: quasiperiodic, chaotic, phase locked, and displaying over or under shooting. At the transition between quasiperiodic and chaotic regimes, activity cycles are asymmetrical, with rapid activity increases and slower decreases and a phase shift between external forcing and activity. We find similar activity patterns in ant colonies in response to varying temperature during the day. Thus foraging ants operate in a region of quasiperiodicity close to a cascade of transitions leading to chaos. The model suggests that a wide range of temporal structures and irregularities seen in the activity of animal and human groups might be accounted for by the coupling between collectively generated internal clocks and external forcings.

On the analytical solutions of the Hindmarsh-Rose neuronal model

In this article we analytically solve the Hindmarsh-Rose model (Proc R Soc Lond B221:87-102, 1984) by means of a technique developed for strongly nonlinear problems-the step homotopy analysis method. This analytical algorithm, based on a modification of the standard homotopy analysis method, allows us to obtain a one-parameter family of explicit series solutions for the studied neuronal model. The Hindmarsh-Rose system represents a paradigmatic example of models developed to qualitatively reproduce the electrical activity of cell membranes. By using the homotopy solutions, we investigate the dynamical effect of two chosen biologically meaningful bifurcation parameters: the injected current I and the parameter r, representing the ratio of time scales between spiking (fast dynamics) and resting (slow dynamics). The auxiliary parameter involved in the analytical method provides us with an elegant way to ensure convergent series solutions of the neuronal model. Our analytical results are found to be in excellent agreement with the numerical simulations.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.