Mechanical properties of structures 3D printed with cementitious powders

The three dimensional (3D) printing technology has undergone rapid development in the last few years and it is now possible to print engineering structures. This paper presents a study of the mechanical behavior of 3D printed structures using cementitious powder. Microscopic observation reveals that the 3D printed products have a layered orthotropic microstructure, in which each layer consists of parallel strips. Compression and flexural tests were conducted to determine the mechanical properties and failure characteristics of such materials. The test results confirmed that the 3D printed structures are laminated with apparent orthotropy. Based on the experimental results, a stress-strain relationship and a failure criterion based on the maximum stress criterion for orthotropic materials are proposed for the structures of 3D printed material. Finally, a finite element analysis was conducted for a 3D printed shell structure, which shows that the printing direction has a significant influence on the load bearing capacity of the structure.

3D FEM simulation of helical milling hole process for titanium alloy Ti-6Al-4V

As an emerging hole-machining methodology, helical milling process has become increasingly popular in aeromaterials manufacturing research, especially in areas of aircraft structural parts, dies, and molds manufacturing. Helical milling process is highly demanding due to its complex tool geometry and the progressive material failure on the workpiece. This paper outlines the development of a 3D finite element model for helical milling hole of titanium alloy Ti-6Al-4V using commercial FE code ABAQUS/Explicit. The proposed model simulates the helical milling hole process by taking into account the damage initiation and evolution in the workpiece material. A contact model at the interface between end-mill bit and workpiece has been established and the process parameters specified. Furthermore, a simulation procedure is proposed to simulate different cutting processes with the same failure parameters. With this finite element model, a series of FEAs for machined titanium alloy have been carried out and results compared with laboratory experimental data. The effects of machining parameters on helical milling have been elucidated, and the capability and advantage of FE simulation on helical milling process have been well presented.

Scaled Heavy-Ball Acceleration of the Richardson-Lucy Algorithm for 3D Microscopy Image Restoration

The Richardson–Lucy algorithm is one of the most important in image deconvolution. However, a drawback is its slow convergence. A significant acceleration was obtained using the technique proposed by Biggs and Andrews (BA), which is implemented in the deconvlucy function of the image processing MATLAB toolbox. The BA method was developed heuristically with no proof of convergence. In this paper, we introduce the heavy-ball (H-B) method for Poisson data optimization and extend it to a scaled H-B method, which includes the BA method as a special case. The method has a proof of the convergence rateof O(K^2), where k is the number of iterations. We demonstrate the superior convergence performance, by a speedup factor off ive, of the scaled H-B method on both synthetic and real 3D images.

Kernelized structural classification for 3D dogs body parts detection

Despite pattern recognition methods for human behavioral analysis has flourished in the last decade, animal behavioral analysis has been almost neglected. Those few approaches are mostly focused on preserving livestock economic value while attention on the welfare of companion animals, like dogs, is now emerging as a social need. In this work, following the analogy with human behavior recognition, we propose a system for recognizing body parts of dogs kept in pens. We decide to adopt both 2D and 3D features in order to obtain a rich description of the dog model. Images are acquired using the Microsoft Kinect to capture the depth map images of the dog. Upon depth maps a Structural Support Vector Machine (SSVM) is employed to identify the body parts using both 3D features and 2D images. The proposal relies on a kernelized discriminative structural classificator specifically tailored for dogs independently from the size and breed. The classification is performed in an online fashion using the LaRank optimization technique to obtaining real time performances. Promising results have emerged during the experimental evaluation carried out at a dog shelter, managed by IZSAM, in Teramo, Italy.

A frontal view gait recognition based on 3D imaging using a time of flight camera

Studies have been carried out to recognize individuals from a frontal view using their gait patterns. In previous work, gait sequences were captured using either single or stereo RGB camera systems or the Kinect 1.0 camera system. In this research, we used a new frontal view gait recognition method using a laser based Time of Flight (ToF) camera. In addition to the new gait data set, other contributions include enhancement of the silhouette segmentation, gait cycle estimation and gait image representations. We propose four new gait image representations namely Gait Depth Energy Image (GDE), Partial GDE (PGDE), Discrete Cosine Transform GDE (DGDE) and Partial DGDE (PDGDE). The experimental results show that all the proposed gait image representations produce better accuracy than the previous methods. In addition, we have also developed Fusion GDEs (FGDEs) which achieve better overall accuracy and outperform the previous methods.

Non-equilibrium modeling of the FE XVII 3C/3D Line Ratio in an Intense X-ray Free-electron Laser Excited Plasma

Recent measurements using an X-ray Free Electron Laser (XFEL) and an Electron Beam Ion Trap at the Linac Coherent Light Source facility highlighted large discrepancies between the observed and theoretical values for the Fe XVII 3C/3D line intensity ratio. This result raised the question of whether the theoretical oscillator strengths may be significantly in error, due to insufficiencies in the atomic structure calculations. We present time-dependent spectral modeling of this experiment and show that non-equilibrium effects can dramatically reduce the predicted 3C/3D line intensity ratio, compared with that obtained by simply taking the ratio of oscillator strengths. Once these non-equilibrium effects are accounted for, the measured line intensity ratio can be used to determine a revised value for the 3C/3D oscillator strength ratio, giving a range from 3.0 to 3.5. We also provide a framework to narrow this range further, if more precise information about the pulse parameters can be determined. We discuss the implications of the new results for the use of Fe XVII spectral features as astrophysical diagnostics and investigate the importance of time-dependent effects in interpreting XFEL-excited plasmas.

The Rossiter-McLaughlin effect reloaded: Probing the 3D spin-orbit geometry, differential stellar rotation, and the spatially-resolved stellar spectrum of star-planet systems

When a planet transits its host star, it blocks regions of the stellar surface from view; this causes a distortion of the spectral lines and a change in the line-of-sight (LOS) velocities, known as the Rossiter-McLaughlin (RM) effect. Since the LOS velocities depend, in part, on the stellar rotation, the RM waveform is sensitive to the star-planet alignment (which provides information on the system’s dynamical history). We present a new RM modelling technique that directly measures the spatially-resolved stellar spectrum behind the planet. This is done by scaling the continuum flux of the (HARPS) spectra by the transit light curve, and then subtracting the infrom the out-of-transit spectra to isolate the starlight behind the planet. This technique does not assume any shape for the intrinsic local profiles. In it, we also allow for differential stellar rotation and centre-to-limb variations in the convective blueshift. We apply this technique to HD 189733 and compare to 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulations. We reject rigid body rotation with high confidence (>99% probability), which allows us to determine the occulted stellar latitudes and measure the stellar inclination. In turn, we determine both the sky-projected (λ ≈ −0.4 ± 0.2◦) and true 3D obliquity (ψ ≈ 7+12 −4 ◦ ). We also find good agreement with the MHD simulations, with no significant centre-to-limb variations detectable in the local profiles. Hence, this technique provides a new powerful tool that can probe stellar photospheres, differential rotation, determine 3D obliquities, and remove sky-projection biases in planet migration theories. This technique can be implemented with existing instrumentation, but will become even more powerful with the next generation of high-precision radial velocity spectrographs.

Validation of a 3D damage model for predicting the response of composite structures under crushing loads

A 3D intralaminar continuum damage mechanics based material model, combining damage mode interaction and material nonlinearity, was developed to predict the damage response of composite structures undergoing crush loading. This model captures the structural response without the need for calibration of experimentally determined material parameters. When used in the design of energy absorbing composite structures, it can reduce the dependence on physical testing. This paper validates this model against experimental data obtained from the literature and in-house testing. Results show that the model can predict the force response of the crushed composite structures with good accuracy. The simulated energy absorption in each test case was within 12% of the experimental value. Post-crush deformation and the damage morphologies, such as ply splitting, splaying and breakage, were also accurately reproduced. This study establishes the capability of this damage model for predicting the responses of composite structures under crushing loads.

Transition Between Open and Closed Wake in 3D Linear Aerospike Nozzles

Linear aerospike nozzles are envisaged as a possible device able to improve launcher engine performance. One of the most interesting properties of these nozzles is the possibility of a good integration with the vehicle. Tb improve the knowledge of the flow-field and performance of aerospike nozzles, they are studied numerically, with particular attention to the differences between the basic two-dimensional nozzle, usually considered in the design phase, and the more realistic three-dimensional nozzle. The study considers different plug lengths and ambient pressures to assess the role of the linear plug side truncation on the base pressure behavior. Numerical tests are carried out at supersonic flight Mach number. Copyright © 2005 by M. Geron and R. Paciorri.F. Nasuti, F. Sabetta, E. Martelli.

Construção e preparação da exploração de tarefas de modelação matemática em estatística: uma experiência no ensino profissional

Descrição e análise de projeto de construção e preparação da exploração de tarefas de modelação matemática em estatística: uma experiência no ensino profissional.

A visão holística do turismo e a sua modelação

A presente investigação concretiza a abordagem holística ao fenómeno do turismo interno, abordando aspectos conceptuais sobre o seu âmbito e dificuldades de medição. Por outro lado, equaciona o papel que esta forma de turismo pode representar, não só em termos de adequação às dinâmicas e às perspectivas que enquadram as actividades turísticas em geral, como também em relação aos efeitos que pode gerar nos domínios económico, social, cultural, ambiental e territorial. A pesquisa engloba igualmente a análise empírica de dados que permitiu caracterizar as particularidades do turismo interno no plano internacional e no caso específico de Portugal, bem como o reconhecimento do seu carácter estratégico. Perante esta última realidade materializou-se a criação de um modelo empírico de desenvolvimento do turismo interno, o qual referencia, numa primeira fase, a estrutura e as componentes sistémicas, para concluir com a referência ao quadro conceptual de organização do planeamento estratégico e a sua consequente aplicação à realidade portuguesa.

Alguns aspectos da modelação ecológica na costa portuguesa (Aveiro) : efeitos físicos na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica

O presente trabalho propõe estudar alguns aspectos da modelação ecológica na Costa Portuguesa, nomeadamente o efeito físico na distribuição de nutrientes e biomassa fitoplanctónica. O principal propósito foi implementar e validar um modelo acoplado tridimensional físico e ecológico, para a costa portuguesa, e aplicá-lo numa área limitada, a norte, por Vila do Conde e a sul pela Figueira da Foz centrada na região de Aveiro, para estudar a distribuição, vertical e horizontal, de temperatura, nutrientes e biomassa fitoplanctónica. A região em estudo está situada na costa oeste da Península Ibérica e faz parte da Região de Afloramento do Atlântico Norte. É caracterizada por condições meteorológicas onde a predominância e prevalência, durante uma grande parte do ano, de ventos de norte/noroeste, constitui um dos principais elementos forçadores do transporte para o largo das águas costeiras e consequente subida das águas mais frias e profundas, ricas em nutrientes. A estas condições juntam-se as boas condições de luminosidade e temperatura essenciais ao desenvolvimento fitoplanctónico, que servirá de alimento às espécies marinhas. Este facto, torna esta região, uma zona de elevada riqueza biológica favorável ao desenvolvimento de várias espécies marinhas, transformando este local num ecossistema de forte produtividade. O modelo foi calibrado e validado para a área em estudo e simulou com sucesso, a resposta do sistema à situação de ventos favoráveis ao afloramento costeiro para a região em estudo. Quando comparada com dados observados, os resultados mostram que o modelo é capaz de prever satisfatoriamente as distribuições superficiais e na coluna de água: da temperatura, dos nutrientes, do oxigénio e da clorofila-a. Os resultados evidenciam o crucial papel desempenhado pelos processos físicos no aumento de fitoplâncton que ocorre ao longo de uma estreita área da costa norte portuguesa, mostrando a estreita ligação entre a distribuição costeira de fitoplâncton e a distribuição costeira de temperatura, à superfície. A produtividade do fitoplâncton que ocorre nas águas costeiras não só é atribuída à disponibilidade de nutrientes mas também à intensidade luminosa. A luz e a intensidade dos ventos de norte/noroeste são os factores chave no controlo dos blooms de fitoplâncton observados nesta região de afloramento, sobretudo no Verão, nomeadamente na camada de mistura pouco profunda e junto à nutriclina. Deste modo os modelos numéricos em associação com dados in situ e imagens de satélite poderão ser considerados uma excelente ferramenta para a análise e previsão de cenários, presentes e futuros, de acções praticadas sobre o meio ambiente.

Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Modelação da qualidade do ar e da saúde humana: da mesoescala à dose

O actual, e crescente, padrão de consumo tem repercussões no ambiente que, inevitavelmente, se reflectem na saúde humana. A poluição atmosférica assume-se, na Europa, como um problema ambiental premente, por ter um elevado impacte na saúde dos cidadãos. Entre estes, há grupos particularmente vulneráveis, como os idosos, os doentes crónicos e as crianças. Vários estudos colocam em evidência a sensibilidade dos doentes asmáticos, em particular das crianças, à poluição atmosférica. No entanto, permanece por esclarecer o facto de a poluição atmosférica poder causar o aumento da prevalência desta doença, assim como a identificação dos principais poluentes atmosféricos responsáveis e os níveis de exposição seguros. O objectivo desta tese consiste no estudo da relação entre a poluição atmosférica e a saúde, contribuindo para o conhecimento nesta temática através do desenvolvimento de uma ferramenta e da sua aplicação a um caso de estudo concreto. Neste caso de estudo analisou-se a relação entre vários poluentes atmosféricos e o agravamento da sintomatologia em crianças asmáticas. Neste âmbito, foi desenvolvido o modelo doseAr, que possibilita o cálculo da exposição e da dose inalada, ao nível individual, de poluentes atmosféricos. Os resultados da aplicação do doseAr permitem a identificação dos microambientes onde a contribuição para a exposição e dose inalada de poluentes é mais relevante. Os microambientes interiores, em particular aqueles onde é desenvolvida actividade física exigente, são identificados como especialmente importantes. A relação entre a exposição e a dose inalada é claramente associada ao agravamento da asma nestas crianças, apesar dos níveis de poluição identificados serem baixos, face aos padrões de qualidade do ar existentes.