EVALUATION OF FILM-SUBSTRATE ADHESION VIA IMPACT USING COATED BULLETS

A method was devised to evaluate the adhesion between a film and a substrate. A front-end coated bullet is accelerated by a gas gun and hits the substrate of the specimen under test. The impact generates a compressive stress pulse that propagates toward the film. After transmission through the interface, part of the pulse is reflected on the free surface of the film, and tensile stress arises at the film-substrate interface, possibly inducing debonding of the film. This dynamic process was demonstrated analytically and simulated numerically by the finite element method. The results validate the initial concept and lay the foundation for further optimization of this method.

飞秒激光在石英玻璃中诱导微爆炸的理论研究

利用有限元方法建立了二维模型，研究了飞秒激光作用下石英玻璃中导带电子的产生、激光能量的沉积、导带电子和能量扩散等微观过程．计算了导带电子扩散引起的局部净电荷及其形成的静电场分布，初步揭示了微爆炸的演化过程．

Thin metastructures with engineered thermal expansion

The geometry and constituent materials of metastructures can be used to engineer the thermal expansion coefficient. In this thesis, we design, fabricate, and test thin thermally stable metastructures consisting of bi-metallic unit cells and show how the coefficient of thermal expansion (CTE) of these metastructures can be finely and coarsely tuned by varying the CTE of the constituent materials and the unit cell geometry. Planar and three-dimensional finite element method modeling is used to drive the design and inform experiments, and predict the response of these metastructures. We demonstrate computationally the significance of out-of-plane effects in the metastructure response. We develop an experimental setup using digital image correlation and an infrared camera to experimentally measure full displacement and temperature fields during testing and accurately measure the metastructures’ CTE. We experimentally demonstrate high aspect ratio metastructures of Ti/Al and Kovar/Al which exhibit near-zero and negative CTE, respectively. We demonstrate robust fabrication procedures for thermally stable samples with high aspect ratios in thin foil and thin film scales. We investigate the lattice structure and mechanical properties of thin films comprising a near-zero CTE metastructure. The mechanics developed in this work can be used to engineer metastructures of arbitrary CTE and can be extended to three dimensions.

Dynamic response of structures with uncertain parameters

This thesis presents a technique for obtaining the response of linear structural systems with parameter uncertainties subjected to either deterministic or random excitation. The parameter uncertainties are modeled as random variables or random fields, and are assumed to be time-independent. The new method is an extension of the deterministic finite element method to the space of random functions.

First, the general formulation of the method is developed, in the case where the excitation is deterministic in time. Next, the application of this formulation to systems satisfying the one-dimensional wave equation with uncertainty in their physical properties is described. A particular physical conceptualization of this equation is chosen for study, and some engineering applications are discussed in both an earthquake ground motion and a structural context.

Finally, the formulation of the new method is extended to include cases where the excitation is random in time. Application of this formulation to the random response of a primary-secondary system is described. It is found that parameter uncertainties can have a strong effect on the system response characteristics.

Análise de fadiga em pontes rodoviárias de concreto armado

As pontes rodoviárias de concreto armado estão sujeitas às ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos sobre o tabuleiro. Estas ações dinâmicas podem gerar o surgimento das fraturas ou mesmo a sua propagação na estrutura. A correta consideração destes aspectos objetivou o desenvolvimento de um estudo, de forma a avaliar os esforços do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro. As técnicas para a contagem de ciclos de esforços e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através das curvas S-N de diversas normas estudadas. A ponte rodoviária investigada é constituída por quatro vigas longitudinais, três transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base no emprego de técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. O modelo estrutural da obra de arte rodoviária estudada foi simulado com base no emprego de elementos finitos sólidos tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas massa-mola-amortecedor. O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre o tabuleiro da ponte. As conclusões deste trabalho versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes rodoviárias de concreto armado submetidas às ações dinâmicas provenientes do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro.

Discrete Modeling of Granular Media: A NURBS-based Approach

This dissertation is concerned with the development of a new discrete element method (DEM) based on Non-Uniform Rational Basis Splines (NURBS). With NURBS, the new DEM is able to capture sphericity and angularity, the two particle morphological measures used in characterizing real grain geometries. By taking advantage of the parametric nature of NURBS, the Lipschitzian dividing rectangle (DIRECT) global optimization procedure is employed as a solution procedure to the closest-point projection problem, which enables the contact treatment of non-convex particles. A contact dynamics (CD) approach to the NURBS-based discrete method is also formulated. By combining particle shape flexibility, properties of implicit time-integration, and non-penetrating constraints, we target applications in which the classical DEM either performs poorly or simply fails, i.e., in granular systems composed of rigid or highly stiff angular particles and subjected to quasistatic or dynamic flow conditions. The CD implementation is made simple by adopting a variational framework, which enables the resulting discrete problem to be readily solved using off-the-shelf mathematical programming solvers. The capabilities of the NURBS-based DEM are demonstrated through 2D numerical examples that highlight the effects of particle morphology on the macroscopic response of granular assemblies under quasistatic and dynamic flow conditions, and a 3D characterization of material response in the shear band of a real triaxial specimen.

Quantifying Earthquake Collapse Risk of Tall Steel Braced Frame Buildings Using Rupture-to-Rafters Simulations

This thesis examines collapse risk of tall steel braced frame buildings using rupture-to-rafters simulations due to suite of San Andreas earthquakes. Two key advancements in this work are the development of (i) a rational methodology for assigning scenario earthquake probabilities and (ii) an artificial correction-free approach to broadband ground motion simulation. The work can be divided into the following sections: earthquake source modeling, earthquake probability calculations, ground motion simulations, building response, and performance analysis.

As a first step the kinematic source inversions of past earthquakes in the magnitude range of 6-8 are used to simulate 60 scenario earthquakes on the San Andreas fault. For each scenario earthquake a 30-year occurrence probability is calculated and we present a rational method to redistribute the forecast earthquake probabilities from UCERF to the simulated scenario earthquake. We illustrate the inner workings of the method through an example involving earthquakes on the San Andreas fault in southern California.

Next, three-component broadband ground motion histories are computed at 636 sites in the greater Los Angeles metropolitan area by superposing short-period (0.2~s-2.0~s) empirical Green's function synthetics on top of long-period ($>$ 2.0~s) spectral element synthetics. We superimpose these seismograms on low-frequency seismograms, computed from kinematic source models using the spectral element method, to produce broadband seismograms.

Using the ground motions at 636 sites for the 60 scenario earthquakes, 3-D nonlinear analysis of several variants of an 18-story steel braced frame building, designed for three soil types using the 1994 and 1997 Uniform Building Code provisions and subjected to these ground motions, are conducted. Model performance is classified into one of five performance levels: Immediate Occupancy, Life Safety, Collapse Prevention, Red-Tagged, and Model Collapse. The results are combined with the 30-year probability of occurrence of the San Andreas scenario earthquakes using the PEER performance based earthquake engineering framework to determine the probability of exceedance of these limit states over the next 30 years.

Análise da dissipação das tensões em dentes humanos restaurados com facetas laminadas de cerâmica, com três tipos de preparos, através do método dos elementos finitos

O objetivo deste trabalho é analisar in vitro a dissipação de tensões em incisivos centrais superiores humanos restaurados com facetas de cerâmica feldspática, através da análise do método dos elementos finitos, considerando cargas funcionais de mastigação e corte dos alimentos, em função de três tipos de preparos utilizados: sem proteção incisal; com proteção incisal em ângulo e com proteção incisal em degrau palatino. Foram utilizadas modelagens bidimensionais de um incisivo central superior e suas estruturas de suporte, simulando três situações: (Primeira modelagem) incisivo central superior com desgaste vestibular (em forma de janela); (Segunda modelagem) incisivo central superior com desgaste vestibular e proteção incisal em plano inclinado; (Terceira modelagem) incisivo central superior com desgaste vestibular, e proteção incisal com degrau palatino. Foi considerada uma carga (P=100N) com uma inclinação de 45 concentrada, simulando a região de contato do incisivo central inferior com o superior durante a mastigação e uma na região de contato topo a topo dos incisivos superior e inferior, simulando o corte dos alimentos. Após a análise dos dados obtidos pela distribuição de tensões, pode-se concluir que quanto à dissipação das tensões em todo o sistema proposto, com a aplicação de carga em 45, não foram observadas mudanças no estado tensional nos três diferentes preparos. Quando foi aplicada carga vertical, simulando o contato de topo, houve variação no estado tensional no sistema do dente com preparo em janela. Nas facetas, com a aplicação de carga em 45, nos preparos em janela e com proteção incisal em plano inclinado o resultado foi semelhante nos valores tensionais enquanto, nas facetas em dentes preparados com proteção incisal com degrau palatino, a distribuição foi mais homogênea tendo valores superiores, mostrando que o abraçamento do dente diminuiu a flexão.

Quantifying Earthquake Collapse Risk of Tall Steel Moment Frame Buildings Using Rupture-to-Rafters Simulations

There is a sparse number of credible source models available from large-magnitude past earthquakes. A stochastic source model generation algorithm thus becomes necessary for robust risk quantification using scenario earthquakes. We present an algorithm that combines the physics of fault ruptures as imaged in laboratory earthquakes with stress estimates on the fault constrained by field observations to generate stochastic source models for large-magnitude (Mw 6.0-8.0) strike-slip earthquakes. The algorithm is validated through a statistical comparison of synthetic ground motion histories from a stochastically generated source model for a magnitude 7.90 earthquake and a kinematic finite-source inversion of an equivalent magnitude past earthquake on a geometrically similar fault. The synthetic dataset comprises of three-component ground motion waveforms, computed at 636 sites in southern California, for ten hypothetical rupture scenarios (five hypocenters, each with two rupture directions) on the southern San Andreas fault. A similar validation exercise is conducted for a magnitude 6.0 earthquake, the lower magnitude limit for the algorithm. Additionally, ground motions from the Mw7.9 earthquake simulations are compared against predictions by the Campbell-Bozorgnia NGA relation as well as the ShakeOut scenario earthquake. The algorithm is then applied to generate fifty source models for a hypothetical magnitude 7.9 earthquake originating at Parkfield, with rupture propagating from north to south (towards Wrightwood), similar to the 1857 Fort Tejon earthquake. Using the spectral element method, three-component ground motion waveforms are computed in the Los Angeles basin for each scenario earthquake and the sensitivity of ground shaking intensity to seismic source parameters (such as the percentage of asperity area relative to the fault area, rupture speed, and risetime) is studied.

Under plausible San Andreas fault earthquakes in the next 30 years, modeled using the stochastic source algorithm, the performance of two 18-story steel moment frame buildings (UBC 1982 and 1997 designs) in southern California is quantified. The approach integrates rupture-to-rafters simulations into the PEER performance based earthquake engineering (PBEE) framework. Using stochastic sources and computational seismic wave propagation, three-component ground motion histories at 636 sites in southern California are generated for sixty scenario earthquakes on the San Andreas fault. The ruptures, with moment magnitudes in the range of 6.0-8.0, are assumed to occur at five locations on the southern section of the fault. Two unilateral rupture propagation directions are considered. The 30-year probabilities of all plausible ruptures in this magnitude range and in that section of the fault, as forecast by the United States Geological Survey, are distributed among these 60 earthquakes based on proximity and moment release. The response of the two 18-story buildings hypothetically located at each of the 636 sites under 3-component shaking from all 60 events is computed using 3-D nonlinear time-history analysis. Using these results, the probability of the structural response exceeding Immediate Occupancy (IO), Life-Safety (LS), and Collapse Prevention (CP) performance levels under San Andreas fault earthquakes over the next thirty years is evaluated.

Furthermore, the conditional and marginal probability distributions of peak ground velocity (PGV) and displacement (PGD) in Los Angeles and surrounding basins due to earthquakes occurring primarily on the mid-section of southern San Andreas fault are determined using Bayesian model class identification. Simulated ground motions at sites within 55-75km from the source from a suite of 60 earthquakes (Mw 6.0 − 8.0) primarily rupturing mid-section of San Andreas fault are considered for PGV and PGD data.

大型干涉仪镜子的支承设计与温度变形分析

在星间激光通信中，涉及对大口径衍射极限激光波面的检测，为保证测量精度，必须严格控制波面十涉仪镜子的自重和温度变形。采用有限元方法对大型干涉仪镜子在不同支承方式下的表面变形进行了分析，结果表明，接触角为180°的钢带支承是较好的支承方式，反射镜表面变形峰-谷(P-V)值仅为1．35nm，均方根(RMS)值为0．363nm根据这一结论，设计了一个同定支承点与浮动支承相结合的超静定钢带支承结构。在该结构下，分析了镜子轴向、径向、周向的温度梯度效应，分析数据表明，镜子的热弹性变形远大于自重变形，建议采取一定的温控

飞秒激光辐射下微突起结构形成的超快热弹性模拟

本文结合有限元方法和超快热弹性模型对飞秒激光辐射下形成的微突起结构进行了数值模拟研究。模拟结果表明微突起结构的形成与入射飞秒激光的参数以及材料的热弹性质有关。在圆锥状微突起结构的形状和高度方面，实验结果与模拟结果呈现良好的一致性，这也从实验上表明了超快热弹性模型的有效性。本文的研究将有助于利用超快激光对薄膜材料进行纳米构造。

"神光-Ⅱ"装置第九路靶场终端光学组件的研制

针对“神光-Ⅱ”装置第九路系统主激光瞄准精度小于等于30μm和大焦斑辐照均匀性优于10％的要求，提出了靶场终端光学组件的设计结构。应用有限元法对组件关键机械元件和ICF靶室整体进行动静态分析，优化了设计参数。同时与聚焦透镜配合进行数值分析列阵透镜，确定了单元数、曲率和厚度以及单元长和宽等参数。经过实验测试，主激光瞄准精度达到28．9μm，大焦斑辐照的形状为1000μm×500μm，均匀性为12．0％。

神光Ⅱ装置中空间滤波器系统的稳定性设计与分析

考虑到空间滤波器系统在激光装置中的稳定性要求，分析了影响稳定性的各种因素。对现行装置中的SF4空间滤波器系统进行振动模态测试，初步确定系统的工作状况，并结合振动理论明确系统稳定性的设计参数。利用有限元软件ANSYS对空间滤波器系统及相关的设计进行仿真验证计算。结果表明：SF4系统的一阶固有频率达到83Hz，与实验结果相符合，满足系统稳定性的要求；在系统中引入支撑不但能有效增加系统的刚度，同时能转移系统的振型；系统基础支撑平台的选择要求平台独立，并且选择较低的高度以便于控制上层光学元件的变形；在系统中的引入

Verificação à fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto)

As pontes rodoviárias mistas (aço-concreto) estão sujeitadas às ações dinâmicas variáveis, por exemplo, devido ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Estas ações dinâmicas podem gerar a nucleação de fraturas ou mesmo a sua propagação sobre a estrutura. A correta consideração desses aspectos objetivou o desenvolvimento de uma metodologia de análise, com a finalidade de avaliar os níveis dos esforços e tensões oriundos do tráfego dos veículos sobre a superfície irregular do pavimento e, bem como, proceder uma verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias em aço e mistas (aço-concreto). Para tal, as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por quatro vigas de aço longitudinais e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Simulam-se as almas das vigas de aço e as lajes de concreto do tabuleiro através de elementos finitos de casca. As mesas dessas vigas, transversinas e os enrijecedores são modelados por elementos de viga tridimensionais. Os veículos são representados a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". O tráfego dessas viaturas é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

Modelagem do comportamento dinâmico de passarelas tubulares em aço e mistas (aço-concreto)

A experiência dos engenheiros estruturais e os conhecimentos adquiridos pelo uso de materiais e novas tecnologias, têm ocasionado estruturas de aço e mistas (aço-concreto) de passarelas cada vez mais ousadas. Este fato tem gerado estruturas de passarelas esbeltas, e consequentemente, alterando os seus estados de limite de serviço e último associados ao seu projeto. Uma consequência direta desta tendência de projeto é o aumento considerável das vibrações das estruturas. Portanto, a presente investigação foi realizada com base em um modelo de carregamento mais realista, desenvolvido para incorporar os efeitos dinâmicos induzidos pela caminhada de pessoas. O modelo de carregamento considera a subida e a descida da massa efetiva do corpo em cada passo. A posição da carga dinâmica também foi alterada de acordo com a posição do pedestre sobre a estrutura e a função do tempo gerada, possui uma variação espacial e temporal. O efeito do calcanhar do pedestre também foi incorporado na análise. O modelo estrutural investigado baseia-se em uma passarela tubular (aço-concreto), medindo 82,5m. A estrutura é composta por três vãos (32,5 m, 20,0 m e 17,5 m, respectivamente) e dois balanços (7,5 m e 5,0 m, respectivamente). O sistema estrutural é constituído por perfis de aço tubular e uma laje de concreto, e é atualmente utilizada para travessia de pedestres. Esta investigação é realizada com base em resultados experimentais, relacionando a resposta dinâmica da passarela com as obtidas via modelos de elementos finitos. O modelo computacional proposto adota as técnicas de refinamento de malha, usualmente presente em simulações pelo método de elementos finitos. O modelo de elementos finitos foi desenvolvido e validado com resultados experimentais. Este modelo de passarela tubular permitiu uma avaliação dinâmica completa, investigando especialmente ao conforto humano e seus limites de utilização associados à vibração. A resposta dinâmica do sistema, em termos de acelerações de pico, foi obtida e comparada com os valores limites propostos por diversos autores e padrões de projeto. As acelerações de pico encontradas na presente análise indicou que a passarela tubular investigada apresentou problemas relacionados com o conforto humano. Por isso, foi detectado que este tipo de estrutura pode atingir níveis de vibrações excessivas que podem comprometer o conforto do usuário na passarela e especialmente a sua segurança.