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.

Safety assessment of underground vehicles passing over highly resilient straight tracks in the presence of a broken rail

In this paper, vehicle-track interaction for a new slab track design, conceived to reduce noise and vibration levels has been analyzed, assessing the derailment risk for trains running on curved track when encountering a broken rail. Two different types of rail fastening systems with different elasticities have been analysed and compared. Numerical methods were used in order to simulate the dynamic behaviour of the train-track interaction. Multibody system (MBS) modelling techniques were combined with techniques based on the finite element method (FEM). MBS modelling was used for modelling the vehicle and FEM for simulating the elastic track. The simulation model was validated by comparing simulated results to experimental data obtained in field testing. During the simulations various safety indices, characteristic of derailment risk, were analysed. The simulations realised at the maximum running velocity of 110 km/h showed a similar behaviour for several track types. When reducing the running speed, the safety indices worsened for both cases. Although the worst behaviour was observed for the track with a greater elasticity, in none of the simulations did a derailment occur when running over the broken rail.

Comparison of vibration and rolling noise emission of resilient and solid monobloc railway wheels in underground lines

Flat or worn wheels rolling on rough or corrugated tracks can provoke airborne noise and ground-borne vibration, which can be a serious concern for nearby neighbours of urban rail transit lines. Among the various treatments used to reduce vibration and noise, resilient wheels play an important role. In conventional resilient wheels, a slightly prestressed V­shaped rubber ring is mounted between the steel wheel centre and tyre. The elastic layer enhances rolling noise and vibration suppression, as well as impact reduction on the track. In this paper the effectiveness of resilient wheels in underground lines, in comparison to monobloc ones, is assessed. The analysed resilient wheel is able to carry greater loads than standard resilient wheels used for light vehicles. It also presents a greater radial resiliency and a higher axial stiffness than conventional V­wheels. The finite element method was used in this study. A quarter car model was defined, in which the wheelset was modelled as an elastic body. Several simulations were performed in order to assess the vibrational behaviour of elastic wheels, including modal, harmonic and random vibration analysis, the latter allowing the introduction of realistic vertical track irregularities, as well as the influence of the running speed. Due to numerical problems some simplifications were needed. Parametric variations were also performed, in which the sensitivity of the whole system to variations of rubber prestress and Poisson’s ratio of the elastic material was assessed.Results are presented in the frequency domain, showing a better performance of the resilient wheels for frequencies over 200 Hz. This result reveals the ability of the analyzed design to mitigate rolling noise, but not structural vibrations, which are primarily found in the lower frequency range.

Dynamic analysis of road vehicle-bridge systems under turbulent wind by means of Finite Element Models

When an automobile passes over a bridge dynamic effects are produced in vehicle and structure. In addition, the bridge itself moves when exposed to the wind inducing dynamic effects on the vehicle that have to be considered. The main objective of this work is to understand the influence of the different parameters concerning the vehicle, the bridge, the road roughness or the wind in the comfort and safety of the vehicles when crossing bridges. Non linear finite element models are used for structures and multibody dynamic models are employed for vehicles. The interaction between the vehicle and the bridge is considered by contact methods. Road roughness is described by the power spectral density (PSD) proposed by the ISO 8608. To consider that the profiles under right and left wheels are different but not independent, the hypotheses of homogeneity and isotropy are assumed. To generate the wind velocity history along the road the Sandia method is employed. The global problem is solved by means of the finite element method. First the methodology for modelling the interaction is verified in a benchmark. Following, the case of a vehicle running along a rigid road and subjected to the action of the turbulent wind is analyzed and the road roughness is incorporated in a following step. Finally the flexibility of the bridge is added to the model by making the vehicle run over the structure. The application of this methodology will allow to understand the influence of the different parameters in the comfort and safety of road vehicles crossing wind exposed bridges. Those results will help to recommend measures to make the traffic over bridges more reliable without affecting the structural integrity of the viaduct

An Experimental and Numerical Study of Ballistic Impacts on a Turbine Casing Material at Varying Temperatures

An experimental and numerical study of ballistic impacts on steel plates at various temperatures (700ºC, 400ºC and room temperature) has been carried out. The motivation for this work is the blade‐off event that may occur inside a jet engine turbine. However, as a first attempt to understand this complex loading process, a somewhat simpler approach is carried out in the present work. The material used in this study is the FV535 martensitic stainless steel, which is one of the most commonly used materials for turbine casings. Based on material test data, a Modified Johnson‐Cook (MJC) model was calibrated for numerical simulations using the LS‐DYNA explicit finite element code (see Figure 1). To check the mesh size sensitivity, 2D axisymmetric finite element models with three different mesh sizes and configurations were used for the various temperatures. Two fixed meshes with 64 and 128 elements over the 2mm thick plate and one mesh with 32 elements over the thickness with adaptive remeshing were used in the simulations. The formation of adiabatic shear bands in the perforation process has been found critical in order to achieve good results. Adiabatic shear bands are formed by the temperature rise due to the accumulation of plastic strain during impact (see Figure 2). The influence of the thermal softening in the plastic model has hence been analyzed for the room temperature impact tests, where the temperature gradient is highest

Respuesta sísmica de un edificio de estructuras metálica con aisladores : alternativas de diseño

El presente trabajo es un estudio teórico – experimental para la implementación de un edificio metálico de cuatro plantas con dispositivos disipadores de energía. Este estudio presenta una técnica para la generación de un registro sísmico artificial, que sea compatible con los espectros de diseño de las normas chilena y española. Este acelerograma se crea con una herramienta computacional denominada SIMQKE. La simulación de la estructura sometida al terremoto artificial se realizará en el programa de elementos finitos SAP200. El trabajo se encuentra dividido en cuatro capítulos, cuyos contenidos son los siguientes. En el capitulo uno, o estado del arte, se revisan las diferentes técnicas de aislamiento sísmico, se describe el dispositivo a utilizar, sus bases teóricas y formulación matemática, se revisan las normas NCh.2745 Of.2003 [12], NCSE-02 [18] y se presenta la técnica para la generación de un registro sintético compatible. El capítulo dos aborda el análisis experimental para un edificio real: una edificación de estructura metálica implementada con disipadores de energía metálicos y que será sometida a tres terremotos de diferente magnitud. El capítulo tres expone los resultados de los desplazamientos medidos para la estructura sin disipadores y con ellos, se presentan los porcentajes de disminución de desplazamientos relativos por planta y por tipo de estructura. Por último, el capítulo cuatro presenta las principales conclusiones y una breve discusión de los resultados. The present work is a theoretical and experimental study for the implementation of a fourstorey building with energy dissipating devices. This study presents a technique for generation an artificial seismic record, which is compatible with the design spectra Chilean and Spanish standards. This accelerogram is created with a computational tool called SIMQKE. The simulation of the structure subjected to artificial earthquake will take place in the finite element program SAP2000. This work is divided into four chapters whose contents are as follows. In chapter one, or state of the art, reviews the different seismic isolation techniques, describes the device used, theoretical and mathematical formulation, NCh2745 Of.2003 [12] and NCSE-02 [18] standards are checked, and presents the technique for generating a synthetic record compatible. Chapter two explains the experimental analysis to a real building: a building of steel structure implemented with metallic energy dissipators and will be submitted to three different earthquakes of magnitude. Chapter three presents the results of measured displacements for the structure without dissipators and with them, the percentages of decline relative displacements per plant and type of structure. Finally, chapter four presents the main conclusions and a brief discussion of the results.

Utilización del cultivo plurianual de pataca (Helianthus tuberosus L.) para la producción de hidratos de carbono fermentables a partir de los tallos

La pataca (Helianthus tuberosus L.) es una especie de cultivo con un alto potencial en la producción de hidratos de carbono de reserva en forma de polifructanos, especialmente inulina, que se acumulan temporalmente en los tallos en forma de polisacáridos para translocarse posteriormente a los tubérculos, donde son almacenados. Aunque tradicionalmente el producto de interés del cultivo son los tubérculos, que acumulan gran cantidad de hidratos de carbono fermentables (HCF) cuando se recogen al final del ciclo de desarrollo, en este trabajo se pretende evaluar el potencial de la pataca como productor de HCF a partir de los tallos cosechados en el momento de máximo contenido en HCF, mediante un sistema de cultivo plurianual. Se han realizado los siguientes estudios: i) Determinación del momento óptimo de cosecha en ensayos con 12 clones ii) Potencial del cultivo plurianual de la pataca en términos de producción anual de biomasa aérea y de HCF en cosechas sucesivas, iii) Ensayos de conservación de la biomasa aérea, iv) Estimación de los costes de las dos modalidades de cultivo de pataca para producción de HCF y v) Estimación de la sostenibilidad energética de la producción de bioetanol mediante la utilización de los subproductos. Para la determinación del momento óptimo de la cosecha de la biomasa aérea se ensayaron 12 clones de diferente precocidad en Madrid; 4 tempranos (Huertos de Moya, C-17, Columbia y D-19) y 8 tardíos (Boniches, China, K-8, Salmantina, Nahodka, C-13, INIA y Violeta de Rennes). El máximo contenido en HCF tuvo lugar en el estado fenológico de botón floral-flor que además coincidió con la máxima producción de biomasa aérea. De acuerdo con los resultados obtenidos, la cosecha de los clones tempranos se debería realizar en el mes de julio y en los clones tardíos en septiembre, siendo éstos últimos más productivos. La producción media más representativa entre los 12 clones, obtenida en el estado fenológico de botón floral fue de 23,40 t ms/ha (clon INIA), con un contenido medio en HCF de 30,30 % lo que supondría una producción potencial media de 7,06 t HCF/ha. La producción máxima en HCF se obtuvo en el clon Boniches con 7,61 t/ha y 22,81 t ms/ha de biomasa aérea. En el sistema de cultivo plurianual la cantidad de tallos por unidad de superficie aumenta cada año debido a la cantidad de tubérculos que van quedando en el terreno, sobre todo a partir del 3er año, lo que produce la disminución del peso unitario de los tallos, con el consiguiente riesgo de encamado. El aclareo de los tallos nacidos a principios de primavera mediante herbicidas tipo Glifosato o mediante una labor de rotocultor rebaja la densidad final de tallos y mejora los rendimientos del cultivo. En las experiencias de conservación de la biomasa aérea se obtuvo una buena conservación por un período de 6 meses de los HCF contenidos en los tallos secos empacados y almacenados bajo cubierta. Considerando que el rendimiento práctico de la fermentación alcohólica es de 0,5 l de etanol por cada kg de azúcar, la producción potencial de etanol para una cosecha de tallos de 7,06 t de HCF/ha sería de 3.530 l/ha. El bagazo producido en la extracción de los HCF de la biomasa aérea supondría 11,91 t/ha lo que utilizado para fines térmicos supone más de 3 veces la energía primaria requerida en el proceso de producción de etanol, considerando un poder calorífico inferior de 3.832,6 kcal/kg. Para una producción de HCF a partir de la biomasa aérea de 7,06 t/ha y en tubérculos al final del ciclo de 12,11 t/ha, los costes de producción estimados para cada uno de ellos fueron de 184,69 €/t para los HCF procedentes de la biomasa aérea y 311,30 €/t para los de tubérculos. Como resultado de este trabajo se puede concluir que la producción de HCF a partir de la biomasa aérea de pataca en cultivo plurianual, es viable desde un punto de vista técnico, con reducción de los costes de producción respecto al sistema tradicional de cosecha de tubérculos. Entre las ventajas técnicas de esta modalidad de cultivo, cabe destacar: la reducción de operaciones de cultivo, la facilidad y menor coste de la cosecha, y la posibilidad de conservación de los HCF en la biomasa cosechada sin mermas durante varios meses. Estas ventajas, compensan con creces el menor rendimiento por unidad de superficie que se obtiene con este sistema de cultivo frente al de cosecha de los tubérculos. Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) (JA) is a crop with a high potential for the production of carbohydrates in the form of polyfructans, especially inulin, which are temporarily accumulated in the stems in the form of polysaccharides. Subsequently they are translocated to the tubers, where they are finally accumulated. In this work the potential of Jerusalem artichoke for fermentable carbohydrates from stems that are harvested at their peak of carbohydrates accumulation is assessed as compared to the traditional cultivation system that aims at the production of tubers harvested at the end of the growth cycle. Tubers are storage organs of polyfructans, namely fermentable carbohydrates. Studies addressed in this work were: i) Determination of the optimum period of time for stem harvesting as a function of clone precocity in a 12-clone field experiment; ii) Study of the potential of JA poly-annual crop regarding the annual yield of aerial biomass and fermentable carbohydrates (HCF) over the years; iii) Tests of storage of the aerial biomass, iv) Comparative analysis of the two JA cultivation systems for HCF production: the poly-annual system for aerial biomass harvesting versus the annual cultivation system for tubers and v) Estimation of the energy sustainability of the bioethanol production by using by-products of the production chain. In order to determine the best period of time for aerial biomass harvesting twelve JA clones of different precocity were tested in Madrid: four early clones (Huertos de Moya, C-17, Columbia and D-19) and eight late clones (Boniches, China, K-8 , Salmantina, Nahodka, C-13, INIA and Violeta de Rennes). Best time was between the phenological stages of floral buds (closed capitula) and blossom (opened capitula), period in which the peak of biomass production coincides with the peak of HCF accumulation in the stems. According to the results, the early clones should be harvested in July and the late ones in September, being the late clones more productive. The clone named INIA was the one that exhibited more steady yields in biomass over the 12 clones experimented. The average potential biomass production of this clone was 23.40 t dm/ha when harvested at the floral buds phenological stage; mean HCF content is 30.30%, representing 7.06 t HCF/ha yield. However, the highest HCF production was obtained for the clone Boniches, 7.61 t HCF/ha from a production of 22.81 t aerial biomass/ha. In the poly-annual cultivation system the number of stems per unit area increases over the years due to the increase in the number of tubers that are left under ground; this effect is particularly important after the 3rd year of the poly-annual crop and results in a decrease of the stems unit weight and a risk of lodging. Thinning of JA shoots in early spring, by means of an herbicide treatment based on glyphosate or by means of one pass with a rotary tiller, results in a decrease of the crop stem density and in higher crop yields. Tests of biomass storing showed that the method of keeping dried stems packed and stored under cover results in a good preservation of HCF for a period of six months at least. Assuming that the fermentation yield is 0.5 L ethanol per kg sugars and a HCF stem production of 7.06 t HCF/ha, the potential for bioethanol is estimated at 3530 L/ha. The use of bagasse -by-product of the process of HCF extraction from the JA stems- for thermal purposes would represent over 3 times the primary energy required for the industrial ethanol production process, assuming 11.91 t/ha bagasse and 3832.6 kcal/kg heating value. HCF production costs of 7.06 t HCF/ha yield from aerial biomass and HCF production costs of 12.11 t HCF/ha from tubers were estimated at 184.69 €/t HCF and 311.30 €/t HCF, respectively. It can be concluded that the production of HCF from JA stems, following a poly-annual cultivation system, can be feasible from a technical standpoint and lead to lower production costs as compared to the traditional annual cultivation system for the production of HCF from tubers. Among the technical advantages of the poly-annual cultivation system it is worth mentioning the reduction in crop operations, the ease and efficiency of harvesting operations and the possibility of HCF preservation without incurring in HCF losses during the storage period, which can last several months. These advantages might compensate the lower yield of HCF per unit area that is obtained in the poly-annual crop system, which aims at stems harvesting, versus the annual one, which involves tubers harvesting.

Hydrodynamic stability theory of double ablation front structures in inertial confinement fusion.

The aim of inertial confinement fusion is the production of energy by the fusion of thermonuclear fuel (deuterium-tritium) enclosed in a spherical target due to its implosion. In the direct-drive approach, the energy needed to spark fusion reactions is delivered by the irradiation of laser beams that leads to the ablation of the outer shell of the target (the so-called ablator). As a reaction to this ablation process, the target is accelerated inwards, and, provided that this implosion is sufficiently strong a symmetric, the requirements of temperature and pressure in the center of the target are achieved leading to the ignition of the target (fusion). One of the obstacles capable to prevent appropriate target implosions takes place in the ablation region where any perturbation can grow even causing the ablator shell break, due to the ablative Rayleigh-Taylor instability. The ablative Rayleigh-Taylor instability has been extensively studied throughout the last 40 years in the case where the density/temperature profiles in the ablation region present a single front (the ablation front). Single ablation fronts appear when the ablator material has a low atomic number (deuterium/tritium ice, plastic). In this case, the main mechanism of energy transport from the laser energy absorption region (low density plasma) to the ablation region is the electron thermal conduction. However, recently, the use of materials with a moderate atomic number (silica, doped plastic) as ablators, with the aim of reducing the target pre-heating caused by suprathermal electrons generated by the laser-plasma interaction, has demonstrated an ablation region composed of two ablation fronts. This fact appears due to increasing importance of radiative effects in the energy transport. The linear theory describing the Rayleigh-Taylor instability for single ablation fronts cannot be applied for the stability analysis of double ablation front structures. Therefore, the aim of this thesis is to develop, for the first time, a linear stability theory for this type of hydrodynamic structures.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Probabilistic mapping with mobile robots in structured environments

La mayor parte de los entornos diseñados por el hombre presentan características geométricas específicas. En ellos es frecuente encontrar formas poligonales, rectangulares, circulares . . . con una serie de relaciones típicas entre distintos elementos del entorno. Introducir este tipo de conocimiento en el proceso de construcción de mapas de un robot móvil puede mejorar notablemente la calidad y la precisión de los mapas resultantes. También puede hacerlos más útiles de cara a un razonamiento de más alto nivel. Cuando la construcción de mapas se formula en un marco probabilístico Bayesiano, una especificación completa del problema requiere considerar cierta información a priori sobre el tipo de entorno. El conocimiento previo puede aplicarse de varias maneras, en esta tesis se presentan dos marcos diferentes: uno basado en el uso de primitivas geométricas y otro que emplea un método de representación cercano al espacio de las medidas brutas. Un enfoque basado en características geométricas supone implícitamente imponer un cierto modelo a priori para el entorno. En este sentido, el desarrollo de una solución al problema SLAM mediante la optimización de un grafo de características geométricas constituye un primer paso hacia nuevos métodos de construcción de mapas en entornos estructurados. En el primero de los dos marcos propuestos, el sistema deduce la información a priori a aplicar en cada caso en base a una extensa colección de posibles modelos geométricos genéricos, siguiendo un método de Maximización de la Esperanza para hallar la estructura y el mapa más probables. La representación de la estructura del entorno se basa en un enfoque jerárquico, con diferentes niveles de abstracción para los distintos elementos geométricos que puedan describirlo. Se llevaron a cabo diversos experimentos para mostrar la versatilidad y el buen funcionamiento del método propuesto. En el segundo marco, el usuario puede definir diferentes modelos de estructura para el entorno mediante grupos de restricciones y energías locales entre puntos vecinos de un conjunto de datos del mismo. El grupo de restricciones que se aplica a cada grupo de puntos depende de la topología, que es inferida por el propio sistema. De este modo, se pueden incorporar nuevos modelos genéricos de estructura para el entorno con gran flexibilidad y facilidad. Se realizaron distintos experimentos para demostrar la flexibilidad y los buenos resultados del enfoque propuesto. Abstract Most human designed environments present specific geometrical characteristics. In them, it is easy to find polygonal, rectangular and circular shapes, with a series of typical relations between different elements of the environment. Introducing this kind of knowledge in the mapping process of mobile robots can notably improve the quality and accuracy of the resulting maps. It can also make them more suitable for higher level reasoning applications. When mapping is formulated in a Bayesian probabilistic framework, a complete specification of the problem requires considering a prior for the environment. The prior over the structure of the environment can be applied in several ways; this dissertation presents two different frameworks, one using a feature based approach and another one employing a dense representation close to the measurements space. A feature based approach implicitly imposes a prior for the environment. In this sense, feature based graph SLAM was a first step towards a new mapping solution for structured scenarios. In the first framework, the prior is inferred by the system from a wide collection of feature based priors, following an Expectation-Maximization approach to obtain the most probable structure and the most probable map. The representation of the structure of the environment is based on a hierarchical model with different levels of abstraction for the geometrical elements describing it. Various experiments were conducted to show the versatility and the good performance of the proposed method. In the second framework, different priors can be defined by the user as sets of local constraints and energies for consecutive points in a range scan from a given environment. The set of constraints applied to each group of points depends on the topology, which is inferred by the system. This way, flexible and generic priors can be incorporated very easily. Several tests were carried out to demonstrate the flexibility and the good results of the proposed approach.

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.

Análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles perforados superficialmente

Ya en el informe acerca del estado de la tecnología en la excavación profunda y en la construcción de túneles en terreno duro presentado en la 7ª Conferencia en Mecánica de Suelos e Ingeniería de la Cimentación, Peck (1969) introdujo los tres temas a ser tenidos en cuenta para el diseño de túneles en terrenos blandos: o Estabilidad de la cavidad durante la construcción, con particular atención a la estabilidad del frente del túnel; o Evaluación de los movimientos del terreno inducidos por la construcción del túnel y de la incidencia de los trabajos subterráneos a poca profundidad sobre los asentamientos en superficie; o Diseño del sistema de sostenimiento del túnel a instalar para asegurar la estabilidad de la estructura a corto y largo plazo. Esta Tesis se centra en los problemas señalados en el segundo de los puntos, analizando distintas soluciones habitualmente proyectadas para reducir los movimientos inducidos por la excavación de los túneles. El objeto de la Tesis es el análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles ejecutados a poca profundidad, con objeto de buscar el diseño que optimice los medios empleados para una determinada reducción de asientos. Para ello se establecen unas premisas para los proyectistas con objeto de conocer a priori cuales son los tratamientos más eficientes (de los propuestos en la Tesis) para la reducción de asientos en superficie cuando se ha de proyectar un túnel, de tal manera que pueda tener datos cualitativos y algunos cuantitativos sobre los diseños más óptimos, utilizando para ello un programa de elementos finitos de última generación que permite realizara la simulación tensodeformación del terreno mediante el modelo de suelo con endurecimiento (Hardening Soil Small model), que es una variante elastoplástica del modelo hiperbólico, similar al Hardening Soil Model. Además, este modelo incorpora una relación entre deformación y el modulo de rigidez, simulando el diferente comportamiento del suelo para pequeñas deformaciones (por ejemplo vibraciones con deformaciones por debajo de 10-5 y grandes deformaciones (deformaciones > 10-3). Para la realización de la Tesis se han elegido cinco secciones de túnel, dos correspondiente a secciones tipo de túnel ejecutado con tuneladora y tres secciones ejecutados mediante convencionales (dos correspondientes a secciones que han utilizado el método Belga y una que ha utilizado el NATM). Para conseguir los objetivos marcados, primeramente se ha analizado mediante una correlación entre modelos tridimensionales y bidimensionales el valor de relajación usado en estos últimos, y ver su variación al cambio de parámetros como la sección del túnel, la cobertera, el procedimiento constructivo, longitud de pase (métodos convencionales) o presión del frente (tuneladora) y las características geotécnicas de los materiales donde se ejecuta el túnel. Posteriormente se ha analizado que diseño de pantalla de protección tiene mejor eficacia respecto a la reducción de asientos, variando distintos parámetros de las características de la misma, como son el empotramiento, el tipo de micropilotes o pilote, la influencia del arriostramiento de las pantallas de protección en cabeza, la inclinación de la pantalla, la separación de la pantalla al eje del túnel y la disposición en doble fila de la pantalla de pantalla proyectada. Para finalizar el estudio de la efectividad de pantalla de protección para la reducción de asiento, se estudiará la influencia de la sobrecarga cercanas (simulación de edificios) tiene en la efectividad de la pantalla proyectada (desde el punto de vista de reducción de movimientos en superficie). Con objeto de poder comparar la efectividad de la pantalla de micropilotes respecto a la ejecución de un paraguas de micropilotes se ha analizado distintos diseños de paraguas, comparando el movimiento obtenido con el obtenido para el caso de pantalla de micropilotes, comparando ambos resultados con los medidos en obras ya ejecutadas. En otro apartado se ha realizado una comparación entre tratamientos similar, comparándolos en este caso con un paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting. Los resultados obtenidos se han con valores de asientos medidos en distintas obras ya ejecutadas y cuyas secciones se corresponden a los empleados en los modelos numéricos. Since the report on the state of technology in deep excavation and tunnelling in hard ground presented at the 7th Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Peck (1969) introduced the three issues to be taken into account for the design of tunnels in soft ground: o Cavity Stability during construction, with particular attention to the stability of the tunnel face; o Evaluation of ground movements induced by tunnelling and the effect of shallow underground workings on surface settlement; o Design of the tunnel support system to be installed to ensure short and long term stability of the structure. This thesis focuses on the issues identified in the second point, usually analysing different solutions designed to reduce the movements induced by tunnelling. The aim of the thesis is to analyse the influence of different micropile forepole umbrellas, micropile walls, jet grouting umbrellas and jet grouting wall designs on surface settlements during near surface tunnelling in order to use the most optimal technique to achieve a determined reduction in settlement. This will establish some criteria for designers to know a priori which methods are most effective (of those proposed in the thesis) to reduce surface settlements in tunnel design, so that it is possible to have qualitative and some quantitative data on the optimal designs, using the latest finite element modelling software that allows simulation of the ground’s infinitesimal strain behaviour using the Hardening Soil Small Model, which is a variation on the elasto-plastic hyperbolic model, similar to Hardening Soil model. In addition, this model incorporates a relationship between strain and the rigidity modulus, simulating different soil behaviour for small deformations (eg deformation vibrations below 10-5 and large deformations (deformations > 10-3). For the purpose of this thesis five tunnel sections have been chosen, two sections corresponding to TBM tunnels and three sections undertaken by conventional means (two sections corresponding to the Belgian method and one corresponding to the NATM). To achieve the objectives outlined, a correlation analysis of the relaxation values used in the 2D and 3D models was undertaken to verify them against parameters such as the tunnel cross-section, the depth of the tunnel, the construction method, the length of step (conventional method) or face pressure (TBM) and the geotechnical characteristics of the ground where the tunnel is constructed. Following this, the diaphragm wall design with the greatest efficiency regarding settlement reduction was analysed, varying parameters such as the toe depth, type of micropiles or piles, the influence of bracing of the head protection diaphragm walls, the inclination of the diaphragm wall, the separation between the diaphragm wall and the tunnel axis and the double diaphragm wall design arrangement. In order to complete the study into the effectiveness of protective diaphragm walls ofn the reduction of settlements, the influence of nearby imposed loads (simulating buildings) on the effectiveness of the designed diaphragm walls (from the point of view of reducing surface movements) will be studied. In order to compare the effectiveness of micropile diaphragm walls regarding the installation of micropile forepole umbrellas, different designs of these forepole umbrellas have been analysed comparing the movement obtained with that obtained for micropiled diaphragm walls, comparing both results with those measured from similar completed projects. In another section, a comparison between similar treatments has been completed, comparing the treatments with a forepole umbrella by jet grouting and jet grouting walls. The results obtained compared with settlement values measured in various projects already completed and whose sections correspond to those used in the numerical models.

The Dynamics of High-Speed Railway Bridges: A Review of Design Issues and New Research for Lateral Dynamics

The dynamic effects of high-speed trains on viaducts are important issues for the design of the structures, as well as for the consideration of safe running conditions for the trains. In this work we start by reviewing the relevance of some basic design aspects. The significance of impact factor envelopes for moving loads is considered first. Resonance which may be achieved for high-speed trains requires dynamic analysis, for which some key aspects are discussed. The relevance of performing a longitudinal distribution of axle loads, the number of modes taken in analysis, and the consideration of vehicle-structure interaction are discussed with representative examples. The lateral dynamic effects of running trains on bridges is of importance for laterally compliant viaducts, such as some very tall structures erected in new high-speed lines. The relevance of this study is mainly for the safety of the traffic, considering both internal actions such as the hunting motion as well as external actions such as wind or earthquakes [1]. These studies require three-dimensional dynamic coupled vehicle-bridge models, and consideration of wheel to rail contact, a phenomenon which is complex and costly to model in detail. We describe here a fully nonlinear coupled model, described in absolute coordinates and incorporated into a commercial finite element framework [2]. The wheel-rail contact has been considered using a FastSim algorithm which provides a compromise between accuracy and computational cost, and captures the main nonlinear response of the contact interface. Two applications are presented, firstly to a vehicle subject to a strong wind gust traversing a bridge, showing the relevance of the nonlinear wheel-rail contact model as well as the dynamic interaction between bridge and vehicle. The second application is to a real HS viaduct with a long continuous deck and tall piers and high lateral compliance [3]. The results show the safety of the traffic as well as the importance of considering features such as track alignment irregularities.

Ubiquitous green computing techniques for high demand applications in smart environments

Ubiquitous sensor network deployments, such as the ones found in Smart cities and Ambient intelligence applications, require constantly increasing high computational demands in order to process data and offer services to users. The nature of these applications imply the usage of data centers. Research has paid much attention to the energy consumption of the sensor nodes in WSNs infrastructures. However, supercomputing facilities are the ones presenting a higher economic and environmental impact due to their very high power consumption. The latter problem, however, has been disregarded in the field of smart environment services. This paper proposes an energy-minimization workload assignment technique, based on heterogeneity and application-awareness, that redistributes low-demand computational tasks from high-performance facilities to idle nodes with low and medium resources in the WSN infrastructure. These non-optimal allocation policies reduce the energy consumed by the whole infrastructure and the total execution time.