Los m��todos proyectivos en la mec��nica de los medios cont��nuos

El M��todo de las Ecuaciones Integrales es una potente alternativa a los M��todos de Dominio tales como el M��todo de los Elementos Finitos. La idea ensencial es la combinaci��n de la cl��sica relaci��n de la reciprocidad con la filosof��a de la discretizaci��n del F.E.M. La aplicaci��n a algunos problemas reales ha demostrado que en ciertos casos el B.I.E.M. es preferiole al F.E.M. y ello es especialmente as�� cuando los problemas a tratar son tridimensionales y con geometr��a complicada. En esta ocasi��n se analizan comparativamente algunos aspectos matem��ticos del procedimiento = Boundary integral equation method (B.I.E.M.)is a powerful alternative to the domain methods, as the well know Finite Element Method (F .E.M.) The esential idea, are the combination of the classical reciprocity re!ations with the discretization phylosophy of F.E.M. The reduction in dimension of the domain to be discretized, the easy treatment of infinite domains and the high accuracy of the results are the main adventages of B.I.E.M. Between the drawacks the nonsymetry and non sparseness of the matrices to be treated are worth remembering. Application to several real problems has shown that in certain cases B.I.E.M. is better than F.E.M. and this is specially true when tridimensional problems of complicated geometries have to be treated. Active research is in progress of its extensi��n to non linear and time dependent problems.

Efecto del Cross-talk en la respuesta de un Transductor Ultras��nico tipo PZT

El presente trabajo de tesis investiga el efecto del fen��meno conocido como ���Cross-talk��� generado por el modo lateral de vibraci��n, en la respuesta de un transductor ultras��nico formado por un arreglo de elementos piezoel��ctricos tipo PZT (Zircanato Titanato de Plomo), la investigaci��n se lleva a cabo desde el punto de vista de la naturaleza f��sica de este efecto, as�� como de los par��metros asociados al mismo, as�� como un an��lisis del efecto del ���Cross-talk��� en la respuesta del transductor, formado por arreglos de elementos piezoel��ctricos. Diversas investigaciones han abordado el fen��meno del ���Cross-talk��� y de sus efectos en la respuesta de los transductores, estos se han enfocado principalmente al modo espesor (thickness) de vibraci��n. Sin embargo no ha habido un estudio a fondo para el estudio de este fen��meno en el modo lateral de vibraci��n tema de inter��s de este trabajo de tesis. Este trabajo incluye simulaciones del fen��meno del ���Cross-talk��� mediante el m��todo de los elementos finitos (MEF), as�� como la construcci��n de un transductor tipo matricial (arrray) de 2x3 elementos, en el que fueron realizadas las mediciones f��sicas del fen��meno. El trabajo abarca un estudio comparativo entre las simulaciones y las mediciones realizadas en el transductor, considerando que las cer��micas del transductor est��n montadas sobre diferentes materiales (backing) en donde la propagaci��n de la energ��a emitida por las cer��micas piezoel��ctricas provoca un mayor o menor grado de ���Cross-talk��� dependiendo de la velocidad en que se propaga dicha energ��a. Esta investigaci��n tambi��n llev�� a cabo el estudio del efecto del ���Cross-talk��� en el patr��n de radiaci��n que emite el arreglo de elementos piezoel��ctricos, siendo este patr��n de radiaci��n un factor importante en la respuesta del transductor, motivo por el cual se realiz�� un an��lisis de c��mo se ve afectado este patr��n bajo la influencia del fen��meno del ���Cross-talk���. Como ya se mencion�� debido a la falta de un estudio a profundidad del fen��meno del ���Cross-talk��� en el modo lateral, la contribuci��n del presente trabajo es importante ya que se enfoca al modo lateral de vibraci��n de los elementos piezoel��ctricos del arreglo. En particular se desarrollo una ecuaci��n que permite cuantificar el fen��meno del ���Cross-talk��� y visualizar sus efectos en el arreglo. Derivando de este estudio se concluye que el fen��meno del ���Cross-talk��� generado por el modo lateral de vibraci��n tiene un efecto significativo en la respuesta de los diferentes transductores matriciales considerados. ABSTRACT This thesis investigates the effect of the phenomenon known as crosstalk from the point of view of its physical nature and the elements that lead to the formation of this phenomenon to an analysis of how it may affect the performance of the ultrasonic transducer. This phenomenon occurs primarily in matrix arrays and this phenomenon is magnified by certain factors causing serious problems in the performance of a transducer. Researchers have addressed the phenomenon of crosstalk and their effects on the response of these transducers. They have mainly focused in the thickness vibration mode, and there has been no comprehensive study of this phenomenon in the lateral vibration mode, issue of interest of this thesis. This work includes simulations of the crosstalk phenomenon using the finite element method (FEM), and the construction of a matrix type transducer (array) of 2x3 elements, in which physical measurements were made. The work includes a comparative study between simulations and measurements in the transducer, whereas the ceramic transducer are mounted on different materials (backing) where the spread of the energy emitted by the piezoelectric ceramic causes a greater or lesser degree of crosstalk depending on the speed at which this energy spreads. This research also carried out the study of the effect of the crosstalk in the radiation pattern emitted by the piezoelectric array. The radiation pattern is an important factor in the response of the transducer that is why we conducted an analysis of how this pattern is affected under the influence of the crosstalk phenomenon. As mentioned before because of the lack of an in-depth study of the crosstalk phenomenon in the lateral vibration mode, the contribution of this work is important because it focuses in this vibration mode of the piezoelectric elements in the array. In particular, an equation was developed to quantify the crosstalk phenomenon and to see its effects in the array. Deriving from this study it is possible to conclude that the crosstalk phenomenon generated by the lateral vibration mode has a significant effect on the response of the different matrix transducers considered in this work.

M��todos num��ricos

En primer lugar se hace referencia al M��todo de los Elementos Finitos (MEF), a partir del cual se plantea el esquema general de un programa en elasticidad en el que, para empezar, se procede a la introducci��n de datos; despues, para cada elemento se realiza el c��lculo de k elevado a e, el c��lculo de f elevado a e, la rotaci��n a coordenadas globales y la colocaci��n en matrices globales k y f; los siguientes pasos son: aplicaci��n de las condiciones de contorno, resoluci��n del sistema de ecuaciones, c��lculo de tensiones y esfuerzos y finalmente, presentaci��n de resultados. En segundo lugar, en el apartado dedicado a la viscoelasticidad se recuerdan dos alternativas que son de inter��s en el tratamiento num��rico de problemas viscoel��sticos. Por un lado se resume la formulaci��n de la ley de comportamiento mediante variables de estado y a continuaci��n se presenta una formulaci��n de tipo potencial. Finalmente se muestra un ejemplo sencillo.

Sensibilidad a las entallas del acero inoxidable d��plex fuertemente trefilado

En el presente trabajo se estudia la sensibilidad a las entallas suaves de alambres de acero inoxidable d��plex fuertemente trefilado. Las entallas consideradas son reducciones de la secci��n transversal del alambre no sim��tricas respecto al eje de revoluci��n. Tras constatar experimentalmente que los alambres con este tipo de da��o fallan por agotamiento pl��stico, se ha determinado num��ricamente la carga de agotamiento pl��stico en funci��n de la profundidad de entalla empleando un mode-lo computacional de elementos finitos. Los resultados num��ricos indican que la mayor deformabilidad del alambre debida a la entalla act��a en favor de su tolerancia al da��o y permite que ��sta alcance el l��mite superior dado por la carga de agotamiento a tracci��n simple del ligamento resistente.This research deals with the sensitivity to blunt notches of highly cold-drawn wires made of d��plex stainless steel. The analyzed notches are actually reductions of the wire cross section, asymmetrically mechanized with respect to the longitudinal wire axis. Once experimentally verified that the notched wires fail by pl��stic collapse, the failure load was found as a function of notch depth by means of a finite element model. The numerical results show that the higher compliance of the wires provided by the notch increases their damage tolerance up to the upper bound given by the tensile pl��stic failure load of the notch ligament.

High fidelity simulations of failure in fiber-reinforced composites

Los ensayos virtuales de materiales compuestos han aparecido como un nuevo concepto dentro de la industria aeroespacial, y disponen de un vasto potencial para reducir los enormes costes de certificaci��n y desarrollo asociados con las tediosas campa��as experimentales, que incluyen un gran n��mero de paneles, subcomponentes y componentes. El objetivo de los ensayos virtuales es sustituir algunos ensayos por simulaciones computacionales con alta fidelidad. Esta tesis es una contribuci��n a la aproximaci��n multiescala desarrollada en el Instituto IMDEA Materiales para predecir el comportamiento mec��nico de un laminado de material compuesto dadas las propiedades de la l��mina y la intercara. La mec��nica de da��o continuo (CDM) formula el da��o intralaminar a nivel constitutivo de material. El modelo de da��o intralaminar se combina con elementos cohesivos para representar da��o interlaminar. Se desarroll�� e implement�� un modelo de da��o continuo, y se aplic�� a configuraciones simples de ensayos en laminados: impactos de baja y alta velocidad, ensayos de tracci��n, tests a cortadura. El an��lisis del m��todo y la correlaci��n con experimentos sugiere que los m��todos son razonablemente adecuados para los test de impacto, pero insuficientes para el resto de ensayos. Para superar estas limitaciones de CDM, se ha mejorado la aproximaci��n discreta de elementos finitos enriqueciendo la cinem��tica para incluir discontinuidades embebidas: el m��todo extendido de los elementos finitos (X-FEM). Se adapt�� X-FEM para un esquema expl��cito de integraci��n temporal. El m��todo es capaz de representar cualitativamente los mecanismos de fallo detallados en laminados. Sin embargo, los resultados muestran inconsistencias en la formulaci��n que producen resultados cuantitativos err��neos. Por ��ltimo, se ha revisado el m��todo tradicional de X-FEM, y se ha desarrollado un nuevo m��todo para superar sus limitaciones: el m��todo cohesivo X-FEM estable. Las propiedades del nuevo m��todo se estudiaron en detalle, y se concluy�� que el m��todo es robusto para implementaci��n en c��digos expl��citos din��micos escalables, resultando una nueva herramienta ��til para la simulaci��n de da��o en composites. Virtual testing of composite materials has emerged as a new concept within the aerospace industry. It presents a very large potential to reduce the large certification costs and the long development times associated with the experimental campaigns, involving the testing of a large number of panels, sub-components and components. The aim of virtual testing is to replace some experimental tests by high-fidelity numerical simulations. This work is a contribution to the multiscale approach developed in Institute IMDEA Materials to predict the mechanical behavior of a composite laminate from the properties of the ply and the interply. Continuum Damage Mechanics (CDM) formulates intraply damage at the the material constitutive level. Intraply CDM is combined with cohesive elements to model interply damage. A CDM model was developed, implemented, and applied to simple mechanical tests of laminates: low and high velocity impact, tension of coupons, and shear deformation. The analysis of the results and the comparison with experiments indicated that the performance was reasonably good for the impact tests, but insuficient in the other cases. To overcome the limitations of CDM, the kinematics of the discrete finite element approximation was enhanced to include mesh embedded discontinuities, the eXtended Finite Element Method (X-FEM). The X-FEM was adapted to an explicit time integration scheme and was able to reproduce qualitatively the physical failure mechanisms in a composite laminate. However, the results revealed an inconsistency in the formulation that leads to erroneous quantitative results. Finally, the traditional X-FEM was reviewed, and a new method was developed to overcome its limitations, the stable cohesive X-FEM. The properties of the new method were studied in detail, and it was demonstrated that the new method was robust and can be implemented in a explicit finite element formulation, providing a new tool for damage simulation in composite materials.

Evaluaci��n de par��metros que influyen en el transporte de cloruros en hormig��n parcialmente saturado

El deterioro del hormig��n debido a la presencia del ion cloruro es causa frecuente de problemas en estructuras localizadas en ambiente marino y alta monta��a. Su principal efecto consiste en la despasivaci��n del acero de refuerzo embebido en el hormig��n y su consecuente inicio de la corrosi��n del mismo. El ingreso del ion cloruro al interior del hormig��n, est�� condicionado por una serie de par��metros de origen medioambiental e intr��nsecos del hormig��n. En funci��n de estos par��metros el ingreso de cloruros en el hormig��n puede deberse principalmente a los siguientes mecanismos: difusi��n y succi��n capilar. El estudio y evaluaci��n de la resistencia del hormig��n frente a cloruros, se ha desarrollado principalmente en condiciones saturadas del hormig��n. Lo que ha significado que par��metros de importancia no sean considerados. Debido a esto, distintos procesos que suceden en estructuras reales no han sido identificados y estudiados correctamente. En este trabajo, se dise���� un programa de investigaci��n para evaluar los par��metros que influyen en el transporte cloruros en hormigones no saturados. Para esto se dise��aron tres dosificaciones diferentes de hormig��n. En la primera se emple�� ��nicamente cemento portland, para el resto se utilizaron adiciones minerales (humo de s��lice y escoria de alto horno). El empleo de adiciones se debi�� a que tienen un papel importante en la durabilidad de hormigones frente a cloruros. Los hormigones fueron dosificados con una relaci��n agua/material cement��cio de 0,40 para el hormig��n elaborado ��nicamente con cemento portland y 0,45 para las mezclas con adiciones. Para evaluar las propiedades de los hormigones en estado fresco y endurecido se realizaron ensayos vigentes en las normativas. Con los resultados obtenidos se determinaron par��metros de resistencia mec��nica, microestructurales, resistencia al transporte de cloruros e higrosc��picos. Una vez caracterizados los hormigones, se dise���� una propuesta experimental para estudiar los principales par��metros presentes en estructuras reales con presencia de cloruros. Tanto la concentraci��n de cloruro como las condiciones ambientales se han variado teniendo como referencia las situaciones reales que podr��an producirse en ambientes de alta monta��a en la zona centro de Espa��a. La propuesta experimental consisti�� en tratar de evaluar la capacidad de los hormigones al transporte de iones en ambientes de alta monta��a con presencia de sales fundentes. Para esto se establecieron 5 fases experimentales donde los principales par��metros ambientales y la presencia de iones agresivos sufrieron variaciones. Al t��rmino de cada fase se obtuvieron perfiles de penetraci��n de cloruros en los hormigones y se evalu�� la influencia de los par��metros presentes en cada fase. Los resultados experimentales se implementaron en un modelo num��rico basado en la teor��a de elementos finitos, desarrollado por el grupo de investigaci��n del Departamento de Materiales de Construcci��n. Para esto fue necesario realizar la calibraci��n y validaci��n del modelo num��rico para cada hormig��n. El calibrado del modelo precisa de datos qu��micos y microestructurales de cada hormig��n, tales como: capacidad de combinaci��n de cloruros y propiedades difusivas e higrosc��picas. Para la validaci��n del modelo num��rico se realizaron simulaciones de la propuesta experimental. Los resultados obtenidos se compararon con los valores experimentales. Con el objeto de poder estudiar en mayor profundidad la influencia del grado de saturaci��n del hormig��n durante la difusi��n de cloruros, se llev�� a cabo una campa��a experimental que consider�� distintos grados de saturaci��n en los hormigones. Para esto se establecieron en los hormigones cuatro grados de saturaci��n distintos (50%, 60%, 80% y 100%, aproximadamente), posteriormente se expusieron a cloruro de sodio finamente molido. Una vez transcurrido el tiempo necesario se obtuvieron experimentalmente los perfiles de penetraci��n de cloruros para cada grado de saturaci��n y se calcularon los coeficientes de difusi��n. Los datos obtenidos durante la campa��a experimental han demostrado la influencia positiva que ejercen las adiciones en las mezclas de hormig��n. Sus principales ventajas son el refinamiento de la red porosa y el aumento en la capacidad de combinaci��n de cloruros, adem��s de mejorar sus propiedades mec��nicas. La porosidad total en las mezclas no present�� grandes cambios, sin embargo, el cambio en la distribuci��n del tama��o de poros es importante en las muestras con adiciones. En especial las fabricadas con humo de s��lice. Los coeficientes de difusi��n y migraci��n de cloruros para las mezclas con adiciones disminuyeron significativamente, igual que los valores de resistividad el��ctrica. En los ensayos de penetraci��n del agua bajo presi��n, fueron las muestras con adiciones las que mostraron las menores penetraciones. Los resultados obtenidos al final de la propuesta experimental permitieron estudiar los distintos par��metros involucrados. Se observ�� claramente que el proceso de difusi��n provoca el mayor transporte de cloruros hacia el interior del hormig��n. As�� mismo se comprob�� que el lavado superficial y el secado de las probetas, trasladan cloruros hacia las zonas externas del hormig��n. El primero debido a una baja concentraci��n de cloruros externa, mientras que el secado provoca el movimiento de la soluci��n de poro hacia las zonas de secado depositando cloruros en ellas. Las medidas higrosc��picas permitieron determinar la existencia de dos zonas distintas en el interior del hormig��n. La primera se localiz�� en el rango de 0-10mm, aproximadamente, en ��sta se puso de manifiesto una mayor sensibilidad a los cambios experimentados en el exterior de las probetas. La segunda zona se localiz�� a una profundidad mayor de 10mm, aproximadamente. Se observ�� claramente una baja influencia de los cambios externos, siendo la difusi��n de cloruros el principal mecanismo de transporte presente en ella. En cuanto al estudio de la influencia del grado de saturaci��n en la difusi��n de cloruros, se observ�� claramente una marcada diferencia entre los coeficientes de difusi��n de cloruro obtenidos. Para grados de saturaci��n mayores del 80% el mecanismo de penetraci��n de cloruros por difusi��n existe de forma significativa. Mientras que para valores inferiores los resultados revelaron que las v��as de acceso disminuyen (poros conectado con agua) considerablemente limitando en un alto grado la penetraci��n del agresivo. Para grados de saturaci��n inferiores del 50% los valores del coeficiente de difusi��n son despreciables. The deterioration of concrete due to chloride ions is a frequent problem identified in structures located in marine and high-mountain environments. After entering the outer layer of the concrete, the chlorides tend to penetrate until they reach and then depassivate the steel bars. Subsequently, this induces the deterioration process of the reinforced concrete. This chloride penetration depends on the environmental conditions and intrinsic parameters of the concrete. Several transport mechanisms, such as diffusion, capillary suction and permeability can be present into the concrete. While recent research into the study and evaluation of concretes with chloride presence has been carried out in saturated concrete, it has not considered certain parameters that can modify this condition. Consequently, at the time of writing several processes that take place in real structures have not been identified and studied. In this work a research programme is designed to evaluate the parameters that influence chloride transport into non-saturated concrete. For this, three concrete mixes were designed by using high-early-strength Portland cement and mineral admixtures (silica fume and blast-slag furnace). The water-cement ratio was 0.40 for the concrete made solely with Portland cement and 0.45 for the concretes that used mineral admixtures as a cement replacement. A set of experimental tests were performed to evaluate the concrete properties both in fresh and hardened state. In addition, an experimental simulation was carried out under laboratory conditions in which the main objective was to assess resistance of concrete to chloride penetration under high-mountain conditions with the presence of de-icing salts. The environmental conditions and surface chloride concentration of the concrete used during the experimental simulation were chosen by considering conditions found in the high-mountain environment in central Spain. For the experimental simulation five phases were designed by varying the environmental parameters and concrete surface concentration. At the end of each phase a chloride profile was obtained with the aim of assessing the influence of the parameters on chloride transport. The experimental results were then used to calibrate and validate a numerical model based on finite element theory developed by the research team from the Construction Materials Department in a previous work. In order to carry out model calibration chemical and microstructural data for the concretes was required, such as binding capacity and the diffusive and hygroscopic properties. The experimental results were compared with the numerical simulations and provided a good fit. With the objective of studying the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion, an experimental programme was designed. This entailed four saturation degrees (50%, 60%, 80% and 100%) being established in several concrete samples. The samples were then exposed to ground sodium chloride. Once the time required was achieved, the chloride profiles and diffusion coefficients were obtained for each saturation degree. The results obtained from the experimental program revealed a positive influence of the mineral admixtures on the concretes. Their effects were reflected in the pore-network refinement and the increase of chloride binding capacity, together with the improvement of the mechanical properties of the concretes. Total porosity did not reveal any notable change, though the pore-size distribution showed a significant degree of change in the concretes with mineral admixtures, specifically the samples prepared through use of silica fume. The chloride diffusion and migration coefficient, as well as the electrical resistivity values, decreased significantly in the concretes with admixtures. In the water penetration under pressure test, the concretes with admixtures presented the lowest penetration depth. The results obtained in the experimental simulation allowed study of the main parameters involved during the chloride penetration processes in non-saturated concretes in the presence of chlorides. According to the results, the diffusion process was the transport mechanism that transferred the greatest amount of chlorides into the concrete samples. In addition, a chloride movement toward external zones of the concrete, caused by the washing of concrete surface and the drying processes, was identified. The washing occurred when the concrete surface came into contact with a low-chloride concentration solution which initiated the outward movement of chloride diffusion. The drying processes corresponded to a movement of pore solution launched by water evaporation from the outer layer. Furthermore, hygroscopic measurements made in the concrete allowed two areas with distinct behavioural patterns to be identified. The first one, located in the range of approximately 0-10mm, showed a greater degree of influence regarding the changes of the external conditions. The second, situated at depths greater than 10mm, displayed a low influence of external conditions. The main process in this area was diffusion. Study of the influence of the degree of concrete saturation on chloride diffusion showed a clear difference among the chloride diffusion coefficients obtained. For degrees of concrete saturation higher than 80%, chloride penetration by diffusion tends to be significant. However, in the case of extent of saturation of lower than 80%, the results revealed that the access zone through which chlorides can penetrate decreased considerably. For degrees of concrete saturation lower than 50%, the chloride diffusion coefficients were negligible.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El inter��s por los sistemas fotovoltaicos de concentraci��n (CPV) ha resurgido en los ��ltimos a��os amparado por el desarrollo de c��lulas multiuni��n de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas c��lulas han permitido obtener m��dulos de concentraci��n con eficiencias que pr��cticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los m��dulos r��cord. Esta tesis est�� dedicada al dise��o y la implementaci��n experimental de nuevos conceptos que permitan obtener m��dulos CPV que no s��lo alcancen una eficiencia alta en condiciones est��ndar sino que, adem��s, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energ��a que producen a lo largo del a��o sea m��xima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el dise��o de elementos ��pticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentraci��n fija, aumentar el ��ngulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido dise��ados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando ��ptica anid��lica y bas��ndose en el dise��o de una sola etapa conocido como ���concentrador diel��ctrico que funciona por reflexi��n total interna���, se ha dise��ado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simult��neamente una elevada eficiencia, concentraci��n y aceptancia. Adem��s, se ha propuesto y prototipado un m��todo alternativo de fabricaci��n para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre c��lulas solares. Una de las caracter��sticas que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximaci��n hol��stica en el dise��o de m��dulos CPV, es decir, se ha prestado especial atenci��n al dise��o conjunto de la c��lula y la ��ptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ��pticos desarrollados en esta tesis han sido dise��ados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subc��lulas que comprenden la c��lula multiuni��n bajo el concentrador sea muy pr��ximo a uno. La capa antirreflectante sobre la c��lula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la ��ptica y la c��lula, por lo que se ha dise��ado un m��todo de optimizaci��n de capas antirreflectantes que considera no s��lo el amplio rango de longitudes de onda para el que las c��lulas multiuni��n son sensibles sino tambi��n la distribuci��n angular de intensidad sobre la c��lula creada por la ��ptica de concentraci��n. Adem��s, la cuesti��n de la falta de uniformidad tambi��n se ha abordado mediante la comparaci��n de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ��pticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las p��rdidas de eficiencia que experimentan las c��lulas iluminadas por dichas ��pticas de concentraci��n medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la ��ptica de concentraci��n tambi��n ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el an��lisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel h��bridas (vidrio-silicona), as�� como el cambio de ��ndice de refracci��n con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiaci��n directa, as�� como las sensibilidades t��rmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energ��a producida por un m��dulo de concentraci��n a lo largo de un a��o en un emplazamiento determinado. Los cap��tulos 5 y 6 de este libro est��n dedicados al dise��o, fabricaci��n y caracterizaci��n de un nuevo concepto de m��dulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una ��nica etapa reflexiva con diel��ctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentraci��n por aceptancia (CAP, en sus siglas en ingl��s) alcanzable al rodear la c��lula con un medio cuyo ��ndice de refracci��n es mayor que uno, una mejora de la eficiencia ��ptica al disminuir las p��rdidas por reflexi��n de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipaci��n t��rmica ya que el calor que se concentra junto a la c��lula se trasmite por convecci��n natural y conducci��n en el fluido y un aislamiento el��ctrico mejorado. Mediante la construcci��n y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna raz��n fundamental que impida la implementaci��n pr��ctica del concepto te��rico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un an��lisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentraci��n FluidReflex. Por ��ultimo, se han dise��ado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de m��dulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricaci��n de la ��ptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento ��ptico obtenido en la fabricaci��n de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la c��lula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiaci��n incidente as�� como el excelente comportamiento t��rmico del m��dulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ���dielectric totally internally reflecting concentrator���, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

Estructuras de hormig��n sometidas a deformaciones impuestas

En este trabajo se estudia el comportamiento de elementos de hormig��n estructural sometidos a deformaciones impuestas, en donde la fisuraci��n se produce, general y fundamentalmente, en secciones en las que los esfuerzos, y por tanto las fisuras, debidos a las acciones exteriores son inexistentes o pr��cticamente inexistentes. Se estudia la fisuraci��n producida, a edades tempranas, por las deformaciones debidas al calor de fraguado y la retracci��n aut��gena y a lo largo de la vida ��til de la estructura, por los fen��menos reol��gicos del hormig��n y la variaci��n de temperatura. Se han estudiado los resultados experimentales disponibles. Se ha identificado un programa de elementos finitos, ATENA, que permite el estudio de fen��menos no lineales, especialmente la fisuraci��n. Se ha contrastado este programa de forma detallada con los resultados experimentales disponibles. Se han estudiado las fuentes de deformaciones impuestas para su caracterizaci��n: calor de hidrataci��n, fen��menos reol��gicos del hormig��n y variaciones de temperaturas. Se han estudiado la evoluci��n de las caracter��sticas mec��nicas y de conductividad t��rmica del hormig��n a lo largo del tiempo y especialmente a edades tempranas. Se han estudiado las evidencias experimentales disponibles y las estimaciones te��ricas propuestas. Se han estudiado las recomendaciones de la CIRIA 660, que es el documento de referencia para tener en cuenta, desde el punto de vista del proyecto este tipo de fen��menos. Con el programa ATENA se han estudiado distintos ejemplos. El objetivo principal ha sido, por un lado, entender el fen��meno y, por otro, contrastar los criterios expuestos en la CIRA 660. This document studies the behavior of structural reinforced concrete structures subjected to imposed deformations, where the cracking occurs, mostly, in sections where the stresses, and thus cracks, due to the exterior actions are none-existent or practically zero. Early age cracking produced by the imposed deformations, due to heat of hydration and autogenous shrinkage, and long term effects, due to the drying shrinkage and the thermal variation, is studied. Available experimental results have been studied. A finite element program has been identified, ATENA, which allows the study of non-lineal phenomena, especially cracking. This software has been contrasted with the available experimental results. The imposed deformation sources have been studied for its characteristically sources: heat of hydration, concrete shrinkage and thermal variation. Also the evolution of the mechanical properties and the thermal conductivity of concrete in time and especially at early age have also been studied. The available experimental evidence and the proposal theoretical estimates have been studied. CIRIA 660 recommendations have been studied, which is the reference document to take into account, form the design point of view, this kind of phenomena. With the ATENA software different examples have been studied. On the one hand the main objective has been to understand the phenomena and, on the other, to contrast the CIRIA 660 proposal.

Un elemento junta de contacto entre suelo y estructura

Se desarrolla un elemento finito especial que permite la conexi��n entre un elemento viga (con flexi��n) y un elemento cuadril��tero de extensi��n (tensi��n o deformaci��n plana). Asimismo, este elemento especial sirve para modelizar la discontinuidad existente en el contacto entre diferentes materiales. La formulaci��n en movimientos del elemento, permite su inserci��n directa en un programa general de elementos finitos y, de esta forma, calcular estructuras de hormig��n en contacto con el suelo (muros de contenci��n, cimentaci��n, estructuras enterradas como t��neles y tuber��as, etc.), tanto en el rango el��stico como en el elastopl��stico, utilizando una potencia limitada en medios computacionales.

Sobre el establecimiento de estimadores e indicadores para los m��todos de contorno p-adaptables en problemas de potencial

El establecimiento de m��todos num��ricos capaces de garantizar una cota de exactitud previamente establecida y de autoadaptar la discretizaci��n inicial hasta conseguirlo es una de las tendencias m��s atractivas en la actualidad. En art��culos previos se ha mostrado c��mo se puede conseguir ��sto con el m��todo de los elementos de contorno y aqu�� se desarrollan nuevas ideas, inspiradas en tratamientos paralelos con el m��todo de los elementos finitos, para fijar los criterios de adaptaci6n y estimaci��n.

Thermal, stress, and traps effects in AlGaN/GaN HEMTs

GaN y AlN son materiales semiconductores piezoel��ctricos del grupo III-V. La heterouni��n AlGaN/GaN presenta una elevada carga de polarizaci��n tanto piezoel��ctrica como espont��nea en la intercara, lo que genera en su cercan��a un 2DEG de grandes concentraci��n y movilidad. Este 2DEG produce una muy alta potencia de salida, que a su vez genera una elevada temperatura de red. Las tensiones de puerta y drenador provocan un stress piezoel��ctrico inverso, que puede afectar a la carga de polarizaci��n piezoel��ctrica y as�� influir la densidad 2DEG y las caracter��sticas de salida. Por tanto, la f��sica del dispositivo es relevante para todos sus aspectos el��ctricos, t��rmicos y mec��nicos. En esta tesis se utiliza el software comercial COMSOL, basado en el m��todo de elementos finitos (FEM), para simular el comportamiento integral electro-t��rmico, electro-mec��nico y electro-t��rmico-mec��nico de los HEMTs de GaN. Las partes de acoplamiento incluyen el modelo de deriva y difusi��n para el transporte electr��nico, la conducci��n t��rmica y el efecto piezoel��ctrico. Mediante simulaciones y algunas caracterizaciones experimentales de los dispositivos, hemos analizado los efectos t��rmicos, de deformaci��n y de trampas. Se ha estudiado el impacto de la geometr��a del dispositivo en su auto-calentamiento mediante simulaciones electro-t��rmicas y algunas caracterizaciones el��ctricas. Entre los resultados m��s sobresalientes, encontramos que para la misma potencia de salida la distancia entre los contactos de puerta y drenador influye en generaci��n de calor en el canal, y as�� en su temperatura. El diamante posee une elevada conductividad t��rmica. Integrando el diamante en el dispositivo se puede dispersar el calor producido y as�� reducir el auto-calentamiento, al respecto de lo cual se han realizado diversas simulaciones electro-t��rmicas. Si la integraci��n del diamante es en la parte superior del transistor, los factores determinantes para la capacidad disipadora son el espesor de la capa de diamante, su conductividad t��rmica y su distancia a la fuente de calor. Este procedimiento de disipaci��n superior tambi��n puede reducir el impacto de la barrera t��rmica de intercara entre la capa adaptadora (buffer) y el substrato. La muy reducida conductividad el��ctrica del diamante permite que pueda contactar directamente el metal de puerta (muy cercano a la fuente de calor), lo que resulta muy conveniente para reducir el auto-calentamiento del dispositivo con polarizaci��n pulsada. Por otra parte se simul�� el dispositivo con diamante depositado en surcos atacados sobre el sustrato como caminos de disipaci��n de calor (disipador posterior). Aqu�� aparece una competencia de factores que influyen en la capacidad de disipaci��n, a saber, el surco atacado contribuye a aumentar la temperatura del dispositivo debido al peque��o tama��o del disipador, mientras que el diamante disminuir��a esa temperatura gracias a su elevada conductividad t��rmica. Por tanto, se precisan capas de diamante relativamente gruesas para reducer ele efecto de auto-calentamiento. Se compar�� la simulaci��n de la deformaci��n local en el borde de la puerta del lado cercano al drenador con estructuras de puerta est��ndar y con field plate, que podr��an ser muy relevantes respecto a fallos mec��nicos del dispositivo. Otras simulaciones se enfocaron al efecto de la deformaci��n intr��nseca de la capa de diamante en el comportamiento el��ctrico del dispositivo. Se han comparado los resultados de las simulaciones de la deformaci��n y las caracter��sticas el��ctricas de salida con datos experimentales obtenidos por espectroscop��a micro-Raman y medidas el��ctricas, respectivamente. Los resultados muestran el stress intr��nseco en la capa producido por la distribuci��n no uniforme del 2DEG en el canal y la regi��n de acceso. Adem��s de aumentar la potencia de salida del dispositivo, la deformaci��n intr��nseca en la capa de diamante podr��a mejorar la fiabilidad del dispositivo modulando la deformaci��n local en el borde de la puerta del lado del drenador. Finalmente, tambi��n se han simulado en este trabajo los efectos de trampas localizados en la superficie, el buffer y la barrera. Las medidas pulsadas muestran que tanto las puertas largas como las grandes separaciones entre los contactos de puerta y drenador aumentan el cociente entre la corriente pulsada frente a la corriente continua (lag ratio), es decir, disminuir el colapse de corriente (current collapse). Este efecto ha sido explicado mediante las simulaciones de los efectos de trampa de superficie. Por su parte, las referidas a trampas en el buffer se enfocaron en los efectos de atrapamiento din��mico, y su impacto en el auto-calentamiento del dispositivo. Se presenta tambi��n un modelo que describe el atrapamiento y liberaci��n de trampas en la barrera: mientras que el atrapamiento se debe a un t��nel directo del electr��n desde el metal de puerta, el desatrapamiento consiste en la emisi��n del electr��n en la banda de conducci��n mediante t��nel asistido por fonones. El modelo tambi��n simula la corriente de puerta, debida a la emisi��n electr��nica dependiente de la temperatura y el campo el��ctrico. Adem��s, tambi��n se ilustra la corriente de drenador dependiente de la temperatura y el campo el��ctrico. ABSTRACT GaN and AlN are group III-V piezoelectric semiconductor materials. The AlGaN/GaN heterojunction presents large piezoelectric and spontaneous polarization charge at the interface, leading to high 2DEG density close to the interface. A high power output would be obtained due to the high 2DEG density and mobility, which leads to elevated lattice temperature. The gate and drain biases induce converse piezoelectric stress that can influence the piezoelectric polarization charge and further influence the 2DEG density and output characteristics. Therefore, the device physics is relevant to all the electrical, thermal, and mechanical aspects. In this dissertation, by using the commercial finite-element-method (FEM) software COMSOL, we achieved the GaN HEMTs simulation with electro-thermal, electro-mechanical, and electro-thermo-mechanical full coupling. The coupling parts include the drift-diffusion model for the electron transport, the thermal conduction, and the piezoelectric effect. By simulations and some experimental characterizations, we have studied the device thermal, stress, and traps effects described in the following. The device geometry impact on the self-heating was studied by electro-thermal simulations and electrical characterizations. Among the obtained interesting results, we found that, for same power output, the distance between the gate and drain contact can influence distribution of the heat generation in the channel and thus influence the channel temperature. Diamond possesses high thermal conductivity. Integrated diamond with the device can spread the generated heat and thus potentially reduce the device self-heating effect. Electro-thermal simulations on this topic were performed. For the diamond integration on top of the device (top-side heat spreading), the determinant factors for the heat spreading ability are the diamond thickness, its thermal conductivity, and its distance to the heat source. The top-side heat spreading can also reduce the impact of thermal boundary resistance between the buffer and the substrate on the device thermal behavior. The very low electrical conductivity of diamond allows that it can directly contact the gate metal (which is very close to the heat source), being quite convenient to reduce the self-heating for the device under pulsed bias. Also, the diamond coated in vias etched in the substrate as heat spreading path (back-side heat spreading) was simulated. A competing mechanism influences the heat spreading ability, i.e., the etched vias would increase the device temperature due to the reduced heat sink while the coated diamond would decrease the device temperature due to its higher thermal conductivity. Therefore, relative thick coated diamond is needed in order to reduce the self-heating effect. The simulated local stress at the gate edge of the drain side for the device with standard and field plate gate structure were compared, which would be relevant to the device mechanical failure. Other stress simulations focused on the intrinsic stress in the diamond capping layer impact on the device electrical behaviors. The simulated stress and electrical output characteristics were compared to experimental data obtained by micro-Raman spectroscopy and electrical characterization, respectively. Results showed that the intrinsic stress in the capping layer caused the non-uniform distribution of 2DEG in the channel and the access region. Besides the enhancement of the device power output, intrinsic stress in the capping layer can potentially improve the device reliability by modulating the local stress at the gate edge of the drain side. Finally, the surface, buffer, and barrier traps effects were simulated in this work. Pulsed measurements showed that long gates and distances between gate and drain contact can increase the gate lag ratio (decrease the current collapse). This was explained by simulations on the surface traps effect. The simulations on buffer traps effects focused on illustrating the dynamic trapping/detrapping in the buffer and the self-heating impact on the device transient drain current. A model was presented to describe the trapping and detrapping in the barrier. The trapping was the electron direct tunneling from the gate metal while the detrapping was the electron emission into the conduction band described by phonon-assisted tunneling. The reverse gate current was simulated based on this model, whose mechanism can be attributed to the temperature and electric field dependent electron emission in the barrier. Furthermore, the mechanism of the device bias via the self-heating and electric field impact on the electron emission and the transient drain current were also illustrated.

Los efectos de borde en problemas geot��cnicos est��ticos analizados por el M.E.F

En el presente art��culo se plantea el problema de las condiciones de borde que deben ser consideradas, para los l��mites laterales de un modelo de elementos finitos, en el caso de que se pretenda analizar un problema geot��cnico en condiciones est��ticas. Partiendo de las soluciones existentes para el caso de problemas din��micos de interacci��n suelo-estructura, los autores demuestran que puede deducirse un nuevo borde aplicable a las condiciones est��ticas. Dicho borde se materializa en una matriz de rigidez que interrelaciona entre s�� todos los nudos del lado que se considera. La bondad de la soluci��n propuesta, as�� como la correspondiente a otras condiciones de borde, es estudiada en un problema concreto que dispone de una soluci��n, estableci��ndose unas conclusiones particulares respecto al comportamiento de las diferentes condiciones de borde analizadas.

Problemas de homogeneizaci��n en la ingenier��a. Una experimentaci��n num��rica

Se expone brevemente el problema matem��tico de homogeneizaci��n, en sus facetas: homogeneizaci��n en el dominio y en el contorno. Con respecto a esta ��ltima, se introducen los conceptos de talla cr��tica y problema l��mite. Los resultados obtenidos se aplican a un caso particular representado por un cilindro con condiciones de borde peri��dicas. Se comprueba la validez del desarrollo te��rico mediante una experimentaci��n num��rica utilizando elementos finitos 3-D observ��ndose la velocidad de convergencia que se obtiene en relaci��n con el caso l��mite. Finalmente se comenta la posibilidad de utilizar la t��cnica de homogeneizaci��n para obtener unos criterios hacia un dise��o eficiente y ��ptimo de los resultados de las barras corrugadas en el hormig��n armado.

Aplicaci��n de algoritmos param��tricos de generaci��n formal en el dise��o estructural. La ��pera de S��dney desde una perspectiva contempor��nea.

El importante desarrollo tecnol��gico e industrial surgido especialmente durante la segunda mitad del siglo pasado ha eliminado las hist��ricas limitaciones t��cnicas en el ��mbito de los pro-��? yectos arquitect��nicos, desembocando en la situaci��n actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser analizado desde un punto de vista estructural, concluy��ndose por tanto que ha desaparecido la barrera del an��lisis en lo que al desarrollo de un proyecto arquitect��nico se refiere. En la actualidad, al igual que a finales del siglo XIX, nos encontramos en un periodo de transi-��? ci��n, y tambi��n, como entonces, es la tecnolog��a la que orienta el cambio. No la tecnolog��a de los nuevos materiales (hormig��n y acero) como suced��a tras la revoluci��n industrial sino que es la nueva tecnolog��a digital aplicada a los sistemas de dise��o, c��lculo y fabricaci��n la que est��n siendo el motor de la actual transformaci��n. Hoy no es tanto el paradigma mecanicista el que prevalece en muchos casos en la concepci��n de los edificios sino que, nuevos elementos como la tecnolog��a digital integrada est�� cambiando la forma de dise��ar y concebir el entorno cons-��? truido. Ante este contexto cabr��a plantearse las siguientes cuestiones: ��Puede el dise��o param��trico y la tecnolog��a CAD-��?CAM-��?CAE en conjunci��n con los programas actuales de an��lisis estructural basados en el M��todo de los Elementos Finitos hacer m��s sencilla la construcci��n de estructu-��? ras ligeras y eficientes hoy en d��a? ��Puede la tecnolog��a digital ayudar a ampliar el abanico for-��? mal a la hora de dise��ar edificios y a la vez permitir el uso de sistemas estructurales racionales que optimicen el consumo de materiales bajo dichas circunstancias?

An��lisis del amortiguamiento en vidrio estructural bajo cargas de impacto

Los ��ltimos avances tecnol��gicos y las tendencias arquitect��nicas actuales han impulsado notablemente el uso de una gran variedad de productos de vidrio en la construcci��n que, en funci��n de sus propias caracter��sticas, permiten dise��ar y calcular elementos estructurales de este material bajo condiciones de seguridad. Este trabajo presenta la evaluaci��n y el an��lisis de las propiedades de amortiguamiento de placas rectangulares de vidrio laminado de 1938 mm x 876 mm con distinto espesor, seg��n el n��mero de capas intermedias de PVB dispuestas. Mediante simulaci��n num��rica por elementos finitos y su posterior comprobaci��n experimental, utilizando an��lisis modal, se determinaron las frecuencias naturales y el amortiguamiento de las placas de vidrio, tanto en condiciones de contorno libre, como en condiciones operacionales del equipo de ensayos de impacto utilizado en el programa experimental, siguiendo las especificaciones de la norma europea UNE-EN 12600:2003.