Experimental and numerical analysis of dry contact in the pin on disc test

The reduction of friction and wear in systems presenting metal-to-metal contacts, as in several mechanical components, represents a traditional challenge in tribology. In this context, this work presents a computational study based on the linear Archard's wear law and finite element modeling (FEM), in order to analyze unlubricated sliding wear observed in typical pin on disc tests. Such modeling was developed using finite element software Abaqus® with 3-D deformable geometries and elastic–plastic material behavior for the contact surfaces. Archard's wear model was implemented into a FORTRAN user subroutine (UMESHMOTION) in order to describe sliding wear. Modeling of debris and oxide formation mechanisms was taken into account by the use of a global wear coefficient obtained from experimental measurements. Such implementation considers an incremental computation for surface wear based on the nodal displacements by means of adaptive mesh tools that rearrange local nodal positions. In this way, the worn track was obtained and new surface profile is integrated for mass loss assessments. This work also presents experimental pin on disc tests with AISI 4140 pins on rotating AISI H13 discs with normal loads of 10, 35, 70 and 140 N, which represent, respectively, mild, transition and severe wear regimes, at sliding speed of 0.1 m/s. Numerical and experimental results were compared in terms of wear rate and friction coefficient. Furthermore, in the numerical simulation the stress field distribution and changes in the surface profile across the worn track of the disc were analyzed. The applied numerical formulation has shown to be more appropriate to predict mild wear regime than severe regime, especially due to the shorter running-in period observed in lower loads that characterizes this kind of regime.

Structural stability of flexible lines in catenary configuration under torsion

Catenary risers can present during installation a very low tension close to seabed, which combined with torsion moment can lead to a structural instability, resulting in a loop. This is undesirable once it is possible that the loop turns into a kink, creating damage. This work presents a numerical methodology to analyze the conditions of loop formation in catenary risers. Stability criteria were applied to finite element models, including geometric nonlinearities and contact constraint due to riser-seabed interaction. The classical Greenhill's formula was used to predict the phenomenon and parametric analysis shows a “universal plot” able to predict instability in catenaries using a simple equation that can be applied for typical risers installation conditions and, generically, for catenary lines under torsion.

Generación de mallas tridimensionales mediante la triangulación de Delauny

Doctorado en Matemáticas. Programa de Doctorado: Método de los elementos finitos en la Ingeniería

Algoritmos de desrefinamiento en mallados estructurados bidimensionales

Programa de doctorado en el método de los elementos finitos en la Ingeniería

Comportamiento estructural de la fábrica sustentada frente a la acción del viento, en cerramientos de fachada de bloque de hormigón característico de Canarias

Programa de doctorado: Ingeniería ambiental y desalinización.

Estudio de efectos de interacción estructura-suelo-estructura sobre la respuesta sísmica de edificios pilotados en función del tipo de onda sísmica y su ángulo de incidencia

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Advances in the study of soil-structure interaction effects on the dynamic response of piled structures

[EN]This Ph. D. thesis presents a simple and stable procedure for the estimation of periods and dampings of pile shear buildings taking soil-structure interaction into account. The coupled-system response is obtained by using a substructuring model. A boundary element-finite element coupling formulation is used to compute impedances and kinematic interaction factors of the pile group configurations under investigation. The proposed procedure is applied to perform parametric analyses to determine the influence of the main parameters of soil-structure interaction problems on the dynamic response of the superstructure. The scope of this thesis also encompasses the study of foundations including battered piles.

El método del mecano y análisis isogeométrico

[EN]En este trabajo presentamos avances del método del mecano para la generación de mallas de tetraedros y la parametrización volumétrica de sólidos. El método combina varios procedimientos: una transformación desde la frontera del mecano (espacio paramétrico sencillo) a la superficie del sólido (espacio físico), un algoritmo de refinamiento local de mallas de tetraedros, y un desenredo y suavizado simultáneo de mallas. La base del método consiste en la definición de una transformación volumétrica biyectiva entre el mecano y el sólido. Se mostrarán resultados usando elementos finitos adaptativos en varios problemas medioambientales : campos de viento, contaminación atmósférica, etc…

Dimensionamento sísmico de edifícios baixos em alvenaria confinada

O facto de se ignorar a contribuição da resistência às forças laterais que solicitam as paredes de alvenaria das estruturas em zonas sísmicas é um tema que tem dado muito de que falar na engenharia estrutural. Em Portugal os projetistas preferem as soluções em betão armado pela sua ampla aplicação e bons resultados ao longo dos tempos. Perante o exposto anteriormente e com o objetivo de abrir possibilidades a novas alternativas que permitam de igual forma bons comportamentos estruturais, pensando na construção económica e com segurança, apresenta-se este estudo que propõe a aplicação de alvenaria confinada em zonas sísmicas de Portugal. A presente dissertação está composta por seis capítulos. No capítulo I apresenta-se uma introdução ao problema que permita ao leitor o enquadramento no tema, indicando de igual forma os objetivos específicos que foram precisos cumprir para chegar ao objetivo geral pretendido, isto é, a proposta duma metodologia de conceção de estruturas de habitação usando alvenaria confinada em zonas de risco sísmico em Portugal, delimitadas para edificações de 1 a 2 andares. Os requisitos gerais de ligação considerados baseiam-se no documento “SEISMIC DESIGN GUIDE FOR LOW-RISE CONFINED MASONRY BUILDINGS” os quais foram complementados com dados recomendados pelos EC 6 e EC 8 baseados na norma portuguesa. No capítulo II mostram-se antecedentes de estudos nacionais e internacionais da alvenaria confinada, assim mesmo encontram-se as bases teóricas com definições e requerimentos importantes a serem considerados no momento da conceção do projeto, ainda nesta seção indicam-se os passos para a aplicação do método de cálculo de esforços resistentes das paredes de alvenaria confinada (Método Simplificado), tal método foi aplicado e validado em modelos de elementos finitos desenhados com materiais e características sísmicas de comum aplicação em Portugal como se apresenta no capítulo III. No capítulo IV analisam-se os resultados obtidos, levando a que no capítulo V se descreva uma proposta de aplicação de alvenaria confinada em zonas de baixa sismicidade e alta sismicidade em Portugal. Finalmente no capítulo VI os resultados obtidos levam a concluir que em zonas de baixa sismicidade o dimensionamento de densidade de paredes é dependente das cargas gravíticas para edifícios de 1 e 2 níveis. No caso de zonas de alta sismicidade são as forças sísmicas as condicionantes. Ainda para edifícios de 2 níveis nestas zonas,a espessura mínima das paredes é de 0,20 m.

Flujo de potencia entre estructuras complejas sometidas a excitaciones de alta frecuencia y aplicaciones a la detección de daño estructural

El tema central de investigación en esta Tesis es el estudio del comportamientodinámico de una estructura mediante modelos que describen la distribución deenergía entre los componentes de la misma y la aplicación de estos modelos parala detección de daños incipientes.Los ensayos dinámicos son un modo de extraer información sobre las propiedadesde una estructura. Si tenemos un modelo de la estructura se podría ajustar éstepara que, con determinado grado de precisión, tenga la misma respuesta que elsistema real ensayado. Después de que se produjese un daño en la estructura,la respuesta al mismo ensayo variará en cierta medida; actualizando el modelo alas nuevas condiciones podemos detectar cambios en la configuración del modeloestructural que nos condujeran a la conclusión de que en la estructura se haproducido un daño.De este modo, la detección de un daño incipiente es posible si somos capacesde distinguir una pequeña variación en los parámetros que definen el modelo. Unrégimen muy apropiado para realizar este tipo de detección es a altas frecuencias,ya que la respuesta es muy dependiente de los pequeños detalles geométricos,dado que el tamaño característico en la estructura asociado a la respuesta esdirectamente proporcional a la velocidad de propagación de las ondas acústicas enel sólido, que para una estructura dada es inalterable, e inversamente proporcionala la frecuencia de la excitación. Al mismo tiempo, esta característica de la respuestaa altas frecuencias hace que un modelo de Elementos Finitos no sea aplicable enla práctica, debido al alto coste computacional.Un modelo ampliamente utilizado en el cálculo de la respuesta de estructurasa altas frecuencias en ingeniería es el SEA (Statistical Energy Analysis). El SEAaplica el balance energético a cada componente estructural, relacionando la energíade vibración de estos con la potencia disipada por cada uno de ellos y la potenciatransmitida entre ellos, cuya suma debe ser igual a la potencia inyectada a cadacomponente estructural. Esta relación es lineal y viene caracterizada por los factoresde pérdidas. Las magnitudes que intervienen en la respuesta se consideranpromediadas en la geometría, la frecuencia y el tiempo.Actualizar el modelo SEA a datos de ensayo es, por lo tanto, calcular losfactores de pérdidas que reproduzcan la respuesta obtenida en éste. Esta actualización,si se hace de manera directa, supone la resolución de un problema inversoque tiene la característica de estar mal condicionado. En la Tesis se propone actualizarel modelo SEA, no en término de los factores de pérdidas, sino en términos deparámetros estructurales que tienen sentido físico cuando se trata de la respuestaa altas frecuencias, como son los factores de disipación de cada componente, susdensidades modales y las rigideces características de los elementos de acoplamiento.Los factores de pérdidas se calculan como función de estos parámetros. Estaformulación es desarrollada de manera original en esta Tesis y principalmente sefunda en la hipótesis de alta densidad modal, es decir, que en la respuesta participanun gran número de modos de cada componente estructural.La teoría general del método SEA, establece que el modelo es válido bajounas hipótesis sobre la naturaleza de las excitaciones externas muy restrictivas,como que éstas deben ser de tipo ruido blanco local. Este tipo de carga es difícil dereproducir en condiciones de ensayo. En la Tesis mostramos con casos prácticos queesta restricción se puede relajar y, en particular, los resultados son suficientementebuenos cuando la estructura se somete a una carga armónica en escalón.Bajo estas aproximaciones se desarrolla un algoritmo de optimización por pasosque permite actualizar un modelo SEA a un ensayo transitorio cuando la carga esde tipo armónica en escalón. Este algoritmo actualiza el modelo no solamente parauna banda de frecuencia en particular sino para diversas bandas de frecuencia demanera simultánea, con el objetivo de plantear un problema mejor condicionado.Por último, se define un índice de daño que mide el cambio en la matriz depérdidas cuando se produce un daño estructural en una localización concreta deun componente. Se simula numéricamente la respuesta de una estructura formadapor vigas donde producimos un daño en la sección de una de ellas; como se tratade un cálculo a altas frecuencias, la simulación se hace mediante el Método delos Elementos Espectrales para lo que ha sido necesario desarrollar dentro de laTesis un elemento espectral de tipo viga dañada en una sección determinada. Losresultados obtenidos permiten localizar el componente estructural en que se haproducido el daño y la sección en que éste se encuentra con determinado grado deconfianza.AbstractThe main subject under research in this Thesis is the study of the dynamic behaviourof a structure using models that describe the energy distribution betweenthe components of the structure and the applicability of these models to incipientdamage detection.Dynamic tests are a way to extract information about the properties of astructure. If we have a model of the structure, it can be updated in order toreproduce the same response as in experimental tests, within a certain degree ofaccuracy. After damage occurs, the response will change to some extent; modelupdating to the new test conditions can help to detect changes in the structuralmodel leading to the conclusión that damage has occurred.In this way incipient damage detection is possible if we are able to detect srnallvariations in the model parameters. It turns out that the high frequency regimeis highly relevant for incipient damage detection, because the response is verysensitive to small structural geometric details. The characteristic length associatedwith the response is proportional to the propagation speed of acoustic waves insidethe solid, but inversely proportional to the excitation frequency. At the same time,this fact makes the application of a Finite Element Method impractical due to thehigh computational cost.A widely used model in engineering when dealing with the high frequencyresponse is SEA (Statistical Energy Analysis). SEA applies the energy balance toeach structural component, relating their vibrational energy with the dissipatedpower and the transmitted power between the different components; their summust be equal to the input power to each of them. This relationship is linear andcharacterized by loss factors. The magnitudes considered in the response shouldbe averaged in geometry, frequency and time.SEA model updating to test data is equivalent to calculating the loss factorsthat provide a better fit to the experimental response. This is formulated as an illconditionedinverse problem. In this Thesis a new updating algorithm is proposedfor the study of the high frequency response regime in terms of parameters withphysical meaning such as the internal dissipation factors, modal densities andcharacteristic coupling stiffness. The loss factors are then calculated from theseparameters. The approach is developed entirely in this Thesis and is mainlybased on a high modal density asumption, that is to say, a large number of modescontributes to the response.General SEA theory establishes the validity of the model under the asumptionof very restrictive external excitations. These should behave as a local white noise.This kind of excitation is difficult to reproduce in an experimental environment.In this Thesis we show that in practical cases this assumption can be relaxed, inparticular, results are good enough when the structure is excited with a harmonicstep function.Under these assumptions an optimization algorithm is developed for SEAmodel updating to a transient test when external loads are harmonic step functions.This algorithm considers the response not only in a single frequency band,but also for several of them simultaneously.A damage index is defined that measures the change in the loss factor matrixwhen a damage has occurred at a certain location in the structure. The structuresconsidered in this study are built with damaged beam elements; as we are dealingwith the high frequency response, the numerical simulation is implemented witha Spectral Element Method. It has therefore been necessary to develop a spectralbeam damaged element as well. The reported results show that damage detectionis possible with this algorithm, moreover, damage location is also possible withina certain degree of accuracy.

Caracterización del comportamiento en fractura de paneles sandwich de placas de yeso laminado y lana de roca

En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para la caracterización experimental de un panel sándwich de yeso laminado y lana de roca, así como de cada uno de sus componentes: placa de yeso laminado, placa de yeso, lana de roca y papel. Para ello se diseñó una campaña de ensayos destinados a obtener las propiedades resistentes de los materiales estudiados, así como la energía específica de fractura, GF, y las curvas completas de carga aplicada frente a desplazamientos. A partir de los resultados experimentales se ha observado que la energía de fractura está muy condicionada por el espesor de la lana de roca, y no tanto por el de la placa. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación, obteniéndose una buena aproximación

Parametric study of the expansive joint model for cracking of concrete due to rebar corrosion

Un modelo numérico llamado elemento junta expansiva fue programado para simular la expansión mecánica del óxido y estudiar la fisuración en el hormigón circundante. El elemento junta expansiva trabaja con elementos finitos con fisura cohesiva embebida adaptable para simular la fractura del hormigón según el modelo de fisura cohesiva. Se ha comprobado que el modelo reproduce correctamente el patrón de fisuración del hormigón que se obtiene en ensayos de corrosión acelerada. En este trabajo, se realiza un estudio paramétrico del elemento junta expansiva para establecer los límites de los parámetros constitutivos del óxido. Se simula una cierta expansión variando los valores de los parámetros del óxido y se estudian la apertura de fisura y las tensiones resultantes en el hormigón. Se determina el rango de valores para los que los resultados de las simulaciones son prácticamente iguales, con el menor número posible de iteraciones.

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura

Fenómenos de resonancia asociados al transporte de mercancías líquidas por ferrocarril

Los vagones de mercancías se unen entre sí mediante acoplamientos UIC estándar. Aunque cada plataforma está equipada con un tensor de enganche en ambos extremos, sólo uno de ellos se utiliza, mientras que el otro descansa apoyado en un gancho. Debido a los efectos de oleaje del líquido contenido en las cisternas, este tensor en reposo puede entrar en resonancia con la frecuencia natural de algunos fluidos, llegando a oscilar de forma apreciable. En ocasiones llega a saltar fuera de su alojamiento, provocando ciertas molestias durante la circulación, aunque sin entrañar ningún riesgo para la seguridad de la marcha. Con el propósito de simular la influencia de diversos factores sobre el comportamiento dinámico asociado a estos fenómenos de oleaje, se ha desarrollado un modelo de la interacción fluido-vehículo, empleado técnicas de modelado de sistemas multicuerpo y de elementos finitos.