Pattern formation of parametrically driven surface waves induced by vibration

Esta tesis se centra en la generación de ondas superficiales subarmónicas en fluidos sometidos a vibración forzada en el régimen gravitatorio capilar con líquidos de baja viscosidad. Tres problemas diferentes han sido estudiados: un contenedor rectangular con vibración horizontal, la misma geometría pero con una combinación de vibración vertical y horizontal y un obstáculo completamente sumergido vibrado verticalmente en un contenedor grande. Se deriva una ecuación de amplitud desde primeros principios para describir las ondas subarmónicas con forzamiento parámetrico inducido por la vibración. La ecuación es bidimensional mientras que el problema original es tridimensional y admite un forzamiento espacial no uniforme. Usando esta ecuación los tres sistemas han sido analizados, centrándose en calcular la amplitud crítica, la orientación de los patrones y el carácter temporal de los patrones espaciotemporales, que pueden ser estrictamente subarmónicos o cuasiperiodicos con una frecuencia de modulación temporal. La dependencia con los parámetros adimensionales también se considera. La teoría será comparada con los experimentos disponibles en la literatura. Abstract This thesis focus on the generation of subharmonic surface waves on fluids subject to forced vibration in the gravity-capillary regime with liquids of small viscosity. Three different problems have been considered: a rectangular container under horizontal vibration; the same geometry but under a combination of horizontal and vertical vibration; and a fully submerged vertically vibrated obstacle in a large container. An amplitude equation is derived from first principles that fairly precisely describes the subharmonic surfaces waves parametrically driven by vibration. That equation is two dimensional while the underlying problem is three-dimensional and permits spatially nonuniform forcing. Using this equation, the three systems have been analyzed, focusing on the calculation of the threshold amplitude, the pattern orientation, and the temporal character of the spatio-temporal patterns, which can be either strictly subharmonic or quasi-periodic, showing an additional modulation frequency. Dependence on the non-dimensional parameters is also considered. The theory is compared with the experiments available in the literature.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

Contribución a la mejora de la expresión gráfica de las cartas aeronáuticas

Según la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), las cartas aeronáuticas son un medio adecuado para el suministro de información aeronáutica de manera manejable, condensada y coordinada. Sobre esta cartografía temática los editores autorizados sintetizan datos específicos relacionados con la orientación espacial y la salvaguarda de la seguridad del vuelo. En consecuencia, se postulan como un recurso de referencia básico para la planificación, el control de tránsito aéreo y la propia navegación aérea. Mediante una indagación inicial, en la cual participaron más de 250 pilotos españoles de aviación civil, se revelaron múltiples ineficiencias en el sistema de comunicación gráfica de las cartas aeronáuticas. Su constatación nos lleva a plantear, como punto de partida, que las innovaciones metodológicas que puedan ser alcanzadas, en lo referente a la expresión gráfica de los modelos cartográficos para la navegación aérea, tendrán plena actualidad y recorrido en el contexto conceptual, tecnológico y científico de la información aeronáutica. En consecuencia, se plantea la necesidad de proponer estrategias o pautas de simbolización basadas en el estudio de la interferencia entre conjuntos de símbolos agrupados en distintos ámbitos o niveles de significado o realidad. El fin último es conseguir, en el caso de las cartas aeronáuticas complejas, una carga visual adecuada y ponderada que facilite y mejore la percepción e interpretación durante las labores de vuelo visual. Este propósito se ha materializado en el diseño de una serie de prototipos que tratan así de mejorar la comunicabilidad de las cartas aeronáuticas complejas, en términos de comprensión y legibilidad del mensaje portado. Para alcanzar este objetivo, la metodología propuesta ha sido dividida en tareas sucesivas: (a) caracterizar la utilización práctica de la información geo-aeronáutica, (b) concretar un conjunto limitado de cartas estereotipadas, (c) diseñar y aplicar una metodología para el análisis de la eficiencia comunicacional, (d) determinar la influencia perceptual provocada por la combinación de variables visuales en la representación y, finalmente, (e) el diseño y evaluación de un prototipo de mejora. Una vez analizado un conjunto de Cartas de Aproximación Visual (VAC) vigentes de ediciones características de distintas regiones y continentes, se ha constatado que la observancia de los distintos principios relativos a factores humanos es manifiestamente mejorable. Adicionalmente existe una llamativa diversidad al respecto entre las series de los distintos Servicios de Información Aeronáutica (AIS) autorizados; este hecho se ha sistematizado mediante una escala de grados, permitiendo así calcular la intensidad de cambio o diferencia existente en cada uno de los símbolos analizados con respecto a la especificación simbólica recomendada de OACI. A partir de la sistematización anterior, se ha alcanzado un estereotipado de tendencias de simbolización, permitiendo así elaborar una serie de modelos de representación cartográfica estereotipo. Aplicando algoritmos de saliencia, se han calculado las capacidades de prominencia visual y de atención temprana de cada uno de ellos. A su vez, mediante técnicas de seguimiento ocular, se han cotejado las cualidades comunicativas calculadas de forma teórica con las medidas en una actividad de lectura e interpretación, en la que participaron pilotos militares y profesionales de la información geográfica. Los resultados obtenidos permiten afirmar que es factible predecir de forma básica las capacidades de atención temprana de los objetos gráficos que componen una carta aeronáutica, posibilitando dirigir de forma planificada la atención visual del lector hacia determinados elementos y símbolos, según el propósito que tenga cada carta en particular. Adicionalmente se ha constatado que una adecuación en términos de contraste relacional y combinatoria de variables visuales mejora la eficiencia de los recorridos visuales, optimiza la duración de las fijaciones oculares y, como resultado, se reduce el tiempo de adquisición de la información en la lectura de las cartas aeronáuticas. En consecuencia, tomando en consideración los requerimientos de factores humanos como parámetros de calidad para que el lenguaje gráfico alcance una comunicabilidad adecuada, podemos afirmar que puede mejorarse la eficiencia comunicacional de las cartas aeronáuticas, en términos de velocidad, claridad y cantidad de información que se puede ser percibida y procesada con respecto al desempeño humano óptimo.

Minimum volume for a liquid bridge between equal disks

The lower stability limit for axisymmetric floating zones at rest between equal coaxial disks has been experimentally verified for several disk-separation/disk-diameter ratios by using the neutral buoyancy technique. Results show a close agre ment with theory in the case of bridge disruption and a wide scatter in the case of bridge etachment.

Long liquid bridges aboard sounding rockets

Large free liquid volumes, 30 mm in diameter and 80 mm long, anchored to coaxial discs, have been achieved during a sounding-rocket flight. As these flights provide some six minutes of microgravity and the formation of the liquid column takes only a matter of seconds, ample time is left for experimentation. The results of these trials are presented, and the equipment used to obtain them is briefly described.

The influence of the outer bath in the dynamics of axisymmetric liquid bridges

The main effects on the dynamics of a liquid bridge due to the presence of an outer liquid, as occur in experiments using the Plateau-tank technique, are considered. The one-dimensional nonlinear model developed here allows us to perform the computation of both breaking processes and oscillatory motions of slender liquid bridges, although in this paper only the results concerning breaking processes are reported. Additionally,the oscillatory motions are studied both experimentally and by using a new linear model. Results from both sources show good agreement

Cancellation zone in supersonic lifting wing theory

BASING their work on a linear theory, Evvard1 and Krasilshchikova2'3 independently developed an expression that yields the perturbation generated by a thiri lifting wing of arbitrary planform flying at supersonic speed on a point placed on the wing plane inside its planform,1 or both on and above the wing plane.2 This point must be influenced by two leading edges, one supersonic and the other partially subsonic. Although these authors followed different approaches, their methods concur in showing the existence of a perfectly defined cancellation zone. In this Note, the Evvard approach is generalized to the case solved by Krasilshchikova. Circumventing the latter's lengthy and somewhat complex approach, Evvard's simple method seems to be useful at least for educational purposes.

On the two-dimensional theory of incompressible flow over inlets

The linearized solution for the two-dimensional flow over an inlet of general form has been derived, assuming incompressible potential flow. With this theory suction forces at sharp inlet lips can be estimated and ideal inlets can be designed.

Global instability analysis and control of three-dimensional long open cavity flow

The three-dimensional wall-bounded open cavity may be considered as a simplified geometry found in industrial applications such as leading gear or slotted flats on the airplane. Understanding the three-dimensional complex flow structure that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. At the light of the remarkable former investigations in this kind of flows, enough evidences suggest that the lateral walls have a great influence on the flow features and hence on their instability modes. Nevertheless, even though there is a large body of literature on cavity flows, most of them are based on the assumption that the flow is two-dimensional and spanwise-periodic. The flow over realistic open cavity should be considered. This thesis presents an investigation of three-dimensional wall-bounded open cavity with geometric ratio 6:2:1. To this aim, three-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) and global linear instability have been performed. Linear instability analysis reveals that the onset of the first instability in this open cavity is around Recr 1080. The three-dimensional shear layer mode with a complex structure is shown to be the most unstable mode. I t is noteworthy that the flow pattern of this high-frequency shear layer mode is similar to the observed unstable oscillations in supercritical unstable case. DNS of the cavity flow carried out at different Reynolds number from steady state until a nonlinear saturated state is obtained. The comparison of time histories of kinetic energy presents a clearly dominant energetic mode which shifts between low-frequency and highfrequency oscillation. A complete flow patterns from subcritical cases to supercritical case has been put in evidence. The flow structure at the supercritical case Re=1100 resembles typical wake-shedding instability oscillations with a lateral motion existed in the subcritical cases. Also, This flow pattern is similar to the observations in experiments. In order to validate the linear instability analysis results, the topology of the composite flow fields reconstructed by linear superposition of a three-dimensional base flow and its leading three-dimensional global eigenmodes has been studied. The instantaneous wall streamlines of those composited flows display distinguish influence region of each eigenmode. Attention has been focused on the leading high-frequency shear layer mode; the composite flow fields have been fully recognized with respect to the downstream wave shedding. The three-dimensional shear layer mode is shown to give rise to a typical wake-shedding instability with a lateral motions occurring downstream which is in good agreement with the experiment results. Moreover, the spanwise-periodic, open cavity with the same length to depth ratio has been also studied. The most unstable linear mode is different from the real three-dimensional cavity flow, because of the existence of the side walls. Structure sensitivity of the unstable global mode is analyzed in the flow control context. The adjoint-based sensitivity analysis has been employed to localized the receptivity region, where the flow is more sensible to momentum forcing and mass injection. Because of the non-normality of the linearized Navier-Stokes equations, the direct and adjoint field has a large spatial separation. The strongest sensitivity region is locate in the upstream lip of the three-dimensional cavity. This numerical finding is in agreement with experimental observations. Finally, a prototype of passive flow control strategy is applied.

El Problema de Lambert en el Contexto de Optimización de Trayectorias Espaciales

Esta tesis se basa en el estudio de la trayectoria que pasa por dos puntos en el problema de los dos cuerpos, inicialmente desarrollado por Lambert, del que toma su nombre. En el pasado, el Problema de Lambert se ha utilizado para la determinación de órbitas a partir de observaciones astronómicas de los cuerpos celestes. Actualmente, se utiliza continuamente en determinación de órbitas, misiones planetaria e interplanetarias, encuentro espacial e interceptación, o incluso en corrección de orbitas. Dada su gran importancia, se decide investigar especialmente sobre su solución y las aplicaciones en las misiones espaciales actuales. El campo de investigación abierto, es muy amplio, así que, es necesario determinar unos objetivos específicos realistas, en el contexto de ejecución de una Tesis, pero que sirvan para mostrar con suficiente claridad el potencial de los resultados aportados en este trabajo, e incluso poder extenderlos a otros campos de aplicación. Como resultado de este análisis, el objetivo principal de la Tesis se enfoca en el desarrollo de algoritmos para resolver el Problema de Lambert, que puedan ser aplicados de forma muy eficiente en las misiones reales donde aparece. En todos los desarrollos, se ha considerado especialmente la eficiencia del cálculo computacional necesario en comparación con los métodos existentes en la actualidad, destacando la forma de evitar la pérdida de precisión inherente a este tipo de algoritmos y la posibilidad de aplicar cualquier método iterativo que implique el uso de derivadas de cualquier orden. En busca de estos objetivos, se desarrollan varias soluciones para resolver el Problema de Lambert, todas ellas basadas en la resolución de ecuaciones transcendentes, con las cuales, se alcanzan las siguientes aportaciones principales de este trabajo: • Una forma genérica completamente diferente de obtener las diversas ecuaciones para resolver el Problema de Lambert, mediante desarrollo analítico, desde cero, a partir de las ecuaciones elementales conocidas de las cónicas (geométricas y temporal), proporcionando en todas ellas fórmulas para el cálculo de derivadas de cualquier orden. • Proporcionar una visión unificada de las ecuaciones más relevantes existentes, mostrando la equivalencia con variantes de las ecuaciones aquí desarrolladas. • Deducción de una nueva variante de ecuación, el mayor logro de esta Tesis, que destaca en eficiencia sobre todas las demás (tanto en coste como en precisión). • Estudio de la sensibilidad de la solución ante variación de los datos iniciales, y como aplicar los resultados a casos reales de optimización de trayectorias. • También, a partir de los resultados, es posible deducir muchas propiedades utilizadas en la literatura para simplificar el problema, en particular la propiedad de invariancia, que conduce al Problema Transformado Simplificado. ABSTRACT This thesis is based on the study of the two-body, two-point boundary-value problem, initially developed by Lambert, from who it takes its name. Since the past, Lambert's Problem has been used for orbit determination from astronomical observations of celestial bodies. Currently, it is continuously used in orbit determinations, for planetary and interplanetary missions, space rendezvous, and interception, or even in orbit corrections. Given its great importance, it is decided to investigate their solution and applications in the current space missions. The open research field is very wide, it is necessary to determine specific and realistic objectives in the execution context of a Thesis, but that these serve to show clearly enough the potential of the results provided in this work, and even to extended them to other areas of application. As a result of this analysis, the main aim of the thesis focuses on the development of algorithms to solve the Lambert’s Problem which can be applied very efficiently in real missions where it appears. In all these developments, it has been specially considered the efficiency of the required computational calculation compared to currently existing methods, highlighting how to avoid the loss of precision inherent in such algorithms and the possibility to apply any iterative method involving the use of derivatives of any order. Looking to meet these objectives, a number of solutions to solve the Lambert’s Problem are developed, all based on the resolution of transcendental equations, with which the following main contributions of this work are reached: • A completely different generic way to get the various equations to solve the Lambert’s Problem by analytical development, from scratch, from the known elementary conic equations (geometrics and temporal), by providing, in all cases, the calculation of derivatives of any order. • Provide a unified view of most existing relevant equations, showing the equivalence with variants of the equations developed here. • Deduction of a new variant of equation, the goal of this Thesis, which emphasizes efficiency (both computational cost and accuracy) over all other. • Estudio de la sensibilidad de la solución ante la variación de las condiciones iniciales, mostrando cómo aprovechar los resultados a casos reales de optimización de trayectorias. • Study of the sensitivity of the solution to the variation of the initial data, and how to use the results to real cases of trajectories’ optimization. • Additionally, from results, it is possible to deduce many properties used in literature to simplify the problem, in particular the invariance property, which leads to a simplified transformed problem.

Comparación de un nuevo método de aceleración de análisis dinámicos con métodos de reducción de modelos

La dinámica estructural estudia la respuesta de una estructura ante cargas o fenómenos variables en el tiempo. En muchos casos, estos fenómenos requieren realizar análisis paramétricos de la estructura considerando una gran cantidad de configuraciones de diseño o modificaciones de la estructura. Estos cambios, ya sean en fases iniciales de diseño o en fases posteriores de rediseño, alteran las propiedades físicas de la estructura y por tanto del modelo empleado para su análisis, cuyo comportamiento dinámico se modifica en consecuencia. Un caso de estudio de este tipo de modificaciones es la supervisión de la integridad estructural, que trata de identificar la presencia de daño estructural y prever el comportamiento de la estructura tras ese daño, como puede ser la variación del comportamiento dinámico de la estructura debida a una delaminación, la aparición o crecimiento de grieta, la debida a la pérdida de pala sufrida por el motor de un avión en vuelo, o la respuesta dinámica de construcciones civiles como puentes o edificios frente a cargas sísmicas. Si a la complejidad de los análisis dinámicos requeridos en el caso de grandes estructuras se añade la variación de determinados parámetros en busca de una respuesta dinámica determinada o para simular la presencia de daños, resulta necesario la búsqueda de medios de simplificación o aceleración del conjunto de análisis que de otra forma parecen inabordables tanto desde el punto de vista del tiempo de computación, como de la capacidad requerida de almacenamiento y manejo de grandes volúmenes de archivos de datos. En la presente tesis doctoral se han revisado los métodos de reducción de elementos .nitos más habituales para análisis dinámicos de grandes estructuras. Se han comparado los resultados de casos de estudio de los métodos más aptos, para el tipo de estructuras y modificaciones descritas, con los resultados de aplicación de un método de reducción reciente. Entre los primeros están el método de condensación estática de Guyan extendido al caso con amortiguamiento no proporcional y posteriores implementaciones de condensaciones dinámicas en diferentes espacios vectoriales. El método de reducción recientemente presentado se denomina en esta tesis DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), y consiste en el análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura, calculada en el espacio modal complejo y que admite modificaciones estructurales. El método DACMAM permite seleccionar un número reducido de grados de libertad significativos para la dinámica del fenómeno que se quiere estudiar como son los puntos de aplicación de la carga, localizaciones de los cambios estructurales o puntos donde se quiera conocer la respuesta, de forma que al implementar las modificaciones estructurales, se ejecutan los análisis necesarios sólo de dichos grados de libertad sin pérdida de precisión. El método permite considerar alteraciones de masa, rigidez, amortiguamiento y la adición de nuevos grados de libertad. Teniendo en cuenta la dimensión del conjunto de ecuaciones a resolver, la parametrización de los análisis no sólo resulta posible, sino que es también manejable y controlable gracias a la sencilla implementación del procedimiento para los códigos habituales de cálculo mediante elementos .nitos. En el presente trabajo se muestra la bondad y eficiencia del método en comparación con algunos de los métodos de reducción de grandes modelos estructurales, verificando las diferencias entre sí de los resultados obtenidos y respecto a la respuesta real de la estructura, y comprobando los medios empleados en ellos tanto en tiempo de ejecución como en tamaño de ficheros electrónicos. La influencia de los diversos factores que se tienen en cuenta permite identificar los límites y capacidades de aplicación del método y su exhaustiva comparación con los otros procedimientos. ABSTRACT Structural dynamics studies the response of a structure under loads or phenomena which vary over time. In many cases, these phenomena require the use of parametric analyses taking into consideration several design configurations or modifications of the structure. This is a typical need in an engineering o¢ ce, no matter the structural design is in early or final stages. These changes modify the physical properties of the structure, and therefore, the finite element model to analyse it. A case study, that exempli.es this circumstance, is the structural health monitoring to predict the variation of the dynamical behaviour after damage, such as a delaminated structure, a crack onset or growth, an aircraft that suffers a blade loss event or civil structures (buildings or bridges) under seismic loads. Not only large structures require complex analyses to appropriately acquire an accurate solution, but also the variation of certain parameters. There is a need to simplify the analytical process, in order to bring CPU time, data .les, management of solutions to a reasonable size. In the current doctoral thesis, the most common finite element reduction methods for large structures are reviewed. Results of case studies are compared between a recently proposed method, herein named DACMAM (Dynamic Analysis in Complex Modal space Acceleration Method), and different condensation methods, namely static or Guyan condensation and dynamic condensation in different vectorial spaces. All these methods are suitable for considering non-classical damping. The reduction method DACMAM consist of a structural modification in the complex modal domain which provides a dynamic response solution for the reduced models. This process allows the selection of a few degrees of freedom that are relevant for the dynamic response of the system. These d.o.f. are the load application points, relevant structural points or points in which it is important to know the response. Consequently, an analysis with structural modifications implies only the calculation of the dynamic response of the selected degrees of freedom added, but with no loss of information. Therefore, mass, stiffness or damping modifications are easily considered as well as new degrees of freedom. Taking into account the size of the equations to be solved, the parameterization of the dynamic solutions is not only possible, but also manageable and controllable due to the easy implementation of the procedure in the standard finite element solvers. In this thesis, the proposed reduction method for large structural models is compared with other published model order reduction methods. The comparison shows and underlines the efficiency of the new method, and veri.es the differences in the response when compared with the response of the full model. The CPU time, the data files and the scope of the parameterization are also addressed.

Método computacional para la aceleración de análisis paramétricos de modificaciones locales en estructuras complejas sometidas a cargas dinámicas

Dentro del análisis y diseño estructural surgen frecuentemente problemas de ingeniería donde se requiere el análisis dinámico de grandes modelos de elementos finitos que llegan a millones de grados de libertad y emplean volúmenes de datos de gran tamaño. La complejidad y dimensión de los análisis se dispara cuando se requiere realizar análisis paramétricos. Este problema se ha abordado tradicionalmente desde diversas perspectivas: en primer lugar, aumentando la capacidad tanto de cálculo como de memoria de los sistemas informáticos empleados en los análisis. En segundo lugar, se pueden simplificar los análisis paramétricos reduciendo su número o detalle y por último se puede recurrir a métodos complementarios a los elementos .nitos para la reducción de sus variables y la simplificación de su ejecución manteniendo los resultados obtenidos próximos al comportamiento real de la estructura. Se propone el empleo de un método de reducción que encaja en la tercera de las opciones y consiste en un análisis simplificado que proporciona una solución para la respuesta dinámica de una estructura en el subespacio modal complejo empleando un volumen de datos muy reducido. De este modo se pueden realizar análisis paramétricos variando múltiples parámetros, para obtener una solución muy aproximada al objetivo buscado. Se propone no solo la variación de propiedades locales de masa, rigidez y amortiguamiento sino la adición de grados de libertad a la estructura original para el cálculo de la respuesta tanto permanente como transitoria. Adicionalmente, su facilidad de implementación permite un control exhaustivo sobre las variables del problema y la implementación de mejoras como diferentes formas de obtención de los autovalores o la eliminación de las limitaciones de amortiguamiento en la estructura original. El objetivo del método se puede considerar similar a los que se obtienen al aplicar el método de Guyan u otras técnicas de reducción de modelos empleados en dinámica estructural. Sin embargo, aunque el método permite ser empleado en conjunción con otros para obtener las ventajas de ambos, el presente procedimiento no realiza la condensación del sistema de ecuaciones, sino que emplea la información del sistema de ecuaciones completa estudiando tan solo la respuesta en las variables apropiadas de los puntos de interés para el analista. Dicho interés puede surgir de la necesidad de obtener la respuesta de las grandes estructuras en unos puntos determinados o de la necesidad de modificar la estructura en zonas determinadas para cambiar su comportamiento (respuesta en aceleraciones, velocidades o desplazamientos) ante cargas dinámicas. Por lo tanto, el procedimiento está particularmente indicado para la selección del valor óptimo de varios parámetros en grandes estructuras (del orden de cientos de miles de modos) como pueden ser la localización de elementos introducidos, rigideces, masas o valores de amortiguamientos viscosos en estudios previos en los que diversas soluciones son planteadas y optimizadas, y que en el caso de grandes estructuras, pueden conllevar un número de simulaciones extremadamente elevado para alcanzar la solución óptima. Tras plantear las herramientas necesarias y desarrollar el procedimiento, se propone un caso de estudio para su aplicación al modelo de elementos .nitos del UAV MILANO desarrollado por el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. A dicha estructura se le imponen ciertos requisitos al incorporar un equipo en aceleraciones en punta de ala izquierda y desplazamientos en punta de ala derecha en presencia de la sustentación producida por una ráfaga continua de viento de forma sinusoidal. La modificación propuesta consiste en la adición de un equipo en la punta de ala izquierda, bien mediante un anclaje rígido, bien unido mediante un sistema de reducción de la respuesta dinámica con propiedades de masa, rigidez y amortiguamiento variables. El estudio de los resultados obtenidos permite determinar la optimización de los parámetros del sistema de atenuación por medio de múltiples análisis dinámicos de forma que se cumplan de la mejor forma posible los requisitos impuestos con la modificación. Se comparan los resultados con los obtenidos mediante el uso de un programa comercial de análisis por el método de los elementos .nitos lográndose soluciones muy aproximadas entre el modelo completo y el reducido. La influencia de diversos factores como son el amortiguamiento modal de la estructura original, el número de modos retenidos en la truncatura o la precisión proporcionada por el barrido en frecuencia se analiza en detalle para, por último, señalar la eficiencia en términos de tiempo y volumen de datos de computación que ofrece el método propuesto en comparación con otras aproximaciones. Por lo tanto, puede concluirse que el método propuesto se considera una opción útil y eficiente para el análisis paramétrico de modificaciones locales en grandes estructuras. ABSTRACT When developing structural design and analysis some projects require dynamic analysis of large finite element models with millions of degrees of freedom which use large size data .les. The analysis complexity and size grow if a parametric analysis is required. This problem has been approached traditionally in several ways: one way is increasing the power and the storage capacity of computer systems involved in the analysis. Other obvious way is reducing the total amount of analyses and their details. Finally, complementary methods to finite element analysis can also be employed in order to limit the number of variables and to reduce the execution time keeping the results as close as possible to the actual behaviour of the structure. Following this third option, we propose a model reduction method that is based in a simplified analysis that supplies a solution for the dynamic response of the structure in the complex modal space using few data. Thereby, parametric analysis can be done varying multiple parameters so as to obtain a solution which complies with the desired objetive. We propose not only mass, stiffness and damping variations, but also addition of degrees of freedom to the original structure in order to calculate the transient and steady-state response. Additionally, the simple implementation of the procedure allows an in-depth control of the problem variables. Furthermore, improvements such as different ways to obtain eigenvectors or to remove damping limitations of the original structure are also possible. The purpose of the procedure is similar to that of using the Guyan or similar model order reduction techniques. However, in our method we do not perform a true model order reduction in the traditional sense. Furthermore, additional gains, which we do not explore herein, can be obtained through the combination of this method with traditional model-order reduction procedures. In our procedure we use the information of the whole system of equations is used but only those nodes of interest to the analyst are processed. That interest comes from the need to obtain the response of the structure at specific locations or from the need to modify the structure at some suitable positions in order to change its behaviour (acceleration, velocity or displacement response) under dynamic loads. Therefore, the procedure is particularly suitable for parametric optimization in large structures with >100000 normal modes such as position of new elements, stiffness, mass and viscous dampings in previous studies where different solutions are devised and optimized, and in the case of large structures, can carry an extremely high number of simulations to get the optimum solution. After the introduction of the required tools and the development of the procedure, a study case is proposed with use the finite element model (FEM) of the MILANO UAV developed by Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial. Due to an equipment addition, certain acceleration and displacement requirements on left wing tip and right wing tip, respectively, are imposed. The structure is under a continuous sinusoidal wind gust which produces lift. The proposed modification consists of the addition of an equipment in left wing tip clamped through a rigid attachment or through a dynamic response reduction system with variable properties of mass, stiffness and damping. The analysis of the obtained results allows us to determine the optimized parametric by means of multiple dynamic analyses in a way such that the imposed requirements have been accomplished in the best possible way. The results achieved are compared with results from a commercial finite element analysis software, showing a good correlation. Influence of several factors such as the modal damping of the original structure, the number of modes kept in the modal truncation or the precission given by the frequency sweep is analyzed. Finally, the efficiency of the proposed method is addressed in tems of computational time and data size compared with other approaches. From the analyses performed, we can conclude that the proposed method is a useful and efficient option to perform parametric analysis of possible local modifications in large structures.

Monitorización de estructuras aeronáuticas mediante técnicas de inteligencia artificial

Una de las barreras para la aplicación de las técnicas de monitorización de la integridad estructural (SHM) basadas en ondas elásticas guiadas (GLW) en aeronaves es la influencia perniciosa de las condiciones ambientales y de operación (EOC). En esta tesis se ha estudiado dicha influencia y la compensación de la misma, particularizando en variaciones del estado de carga y temperatura. La compensación de dichos efectos se fundamenta en Redes Neuronales Artificiales (ANN) empleando datos experimentales procesados con la Transformada Chirplet. Los cambios en la geometría y en las propiedades del material respecto al estado inicial de la estructura (lo daños) provocan cambios en la forma de onda de las GLW (lo que denominamos característica sensible al daño o DSF). Mediante técnicas de tratamiento de señal se puede buscar una relación entre dichas variaciones y los daños, esto se conoce como SHM. Sin embargo, las variaciones en las EOC producen también cambios en los datos adquiridos relativos a las GLW (DSF) que provocan errores en los algoritmos de diagnóstico de daño (SHM). Esto sucede porque las firmas de daño y de las EOC en la DSF son del mismo orden. Por lo tanto, es necesario cuantificar y compensar el efecto de las EOC sobre la GLW. Si bien existen diversas metodologías para compensar los efectos de las EOC como por ejemplo “Optimal Baseline Selection” (OBS) o “Baseline Signal Stretching” (BSS), estas, se emplean exclusivamente en la compensación de los efectos térmicos. El método propuesto en esta tesis mezcla análisis de datos experimentales, como en el método OBS, y modelos basados en Redes Neuronales Artificiales (ANN) que reemplazan el modelado físico requerido por el método BSS. El análisis de datos experimentales consiste en aplicar la Transformada Chirplet (CT) para extraer la firma de las EOC sobre la DSF. Con esta información, obtenida bajo diversas EOC, se entrena una ANN. A continuación, la ANN actuará como un interpolador de referencias de la estructura sin daño, generando información de referencia para cualquier EOC. La comparación de las mediciones reales de la DSF con los valores simulados por la ANN, dará como resultado la firma daño en la DSF, lo que permite el diagnóstico de daño. Este esquema se ha aplicado y verificado, en diversas EOC, para una estructura unidimensional con un único camino de daño, y para una estructura representativa de un fuselaje de una aeronave, con curvatura y múltiples elementos rigidizadores, sometida a un estado de cargas complejo, con múltiples caminos de daños. Los efectos de las EOC se han estudiado en detalle en la estructura unidimensional y se han generalizado para el fuselaje, demostrando la independencia del método respecto a la configuración de la estructura y el tipo de sensores utilizados para la adquisición de datos GLW. Por otra parte, esta metodología se puede utilizar para la compensación simultánea de una variedad medible de EOC, que afecten a la adquisición de datos de la onda elástica guiada. El principal resultado entre otros, de esta tesis, es la metodología CT-ANN para la compensación de EOC en técnicas SHM basadas en ondas elásticas guiadas para el diagnóstico de daño. ABSTRACT One of the open problems to implement Structural Health Monitoring techniques based on elastic guided waves in real aircraft structures at operation is the influence of the environmental and operational conditions (EOC) on the damage diagnosis problem. This thesis deals with the compensation of these environmental and operational effects, specifically, the temperature and the external loading, by the use of the Chirplet Transform working with Artificial Neural Networks. It is well known that the guided elastic wave form is affected by the damage appearance (what is known as the damage sensitive feature or DSF). The DSF is modified by the temperature and by the load applied to the structure. The EOC promotes variations in the acquired data (DSF) and cause mistakes in damage diagnosis algorithms. This effect promotes changes on the waveform due to the EOC variations of the same order than the damage occurrence. It is difficult to separate both effects in order to avoid damage diagnosis mistakes. Therefore it is necessary to quantify and compensate the effect of EOC over the GLW forms. There are several approaches to compensate the EOC effects such as Optimal Baseline Selection (OBS) or Baseline Signal Stretching (BSS). Usually, they are used for temperature compensation. The new method proposed here mixes experimental data analysis, as in the OBS method, and Artificial Neural Network (ANN) models to replace the physical modelling which involves the BSS method. The experimental data analysis studied is based on apply the Chirplet Transform (CT) to extract the EOC signature on the DSF. The information obtained varying EOC is employed to train an ANN. Then, the ANN will act as a baselines interpolator of the undamaged structure. The ANN generates reference information at any EOC. By comparing real measurements of the DSF against the ANN simulated values, the damage signature appears clearly in the DSF, enabling an accurate damage diagnosis. This schema has been applied in a range of EOC for a one-dimensional structure containing single damage path and two dimensional real fuselage structure with stiffener elements and multiple damage paths. The EOC effects tested in the one-dimensional structure have been generalized to the fuselage showing its independence from structural arrangement and the type of sensors used for GLW data acquisition. Moreover, it can be used for the simultaneous compensation of a variety of measurable EOC, which affects the guided wave data acquisition. The main result, among others, of this thesis is the CT-ANN methodology for the compensation of EOC in GLW based SHM technique for damage diagnosis.

Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos pueden poner en peligro la integridad de estructuras aeroespaciales y los ingenieros han desarrollado diferentes estrategias para analizarlos. Uno de los grandes problemas que se plantean en la ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico determinista y aleatorio del problema. Se han propuesto desde problemas sencillos con pocos grados de libertad que sirven para analizar las diferentes estrategias y herramientas a utilizar, hasta fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros aleatorios que pueden responder a un desconocimiento o incertidumbre de los mismos. Durante el desarrollo de la tesis se introducen conceptos y se aplican distintos métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más complejos, como el impacto a baja velocidad en materiales compuestos, en el que se busca evaluar la resistencia residual y, por lo tanto, la tolerancia al daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. Se trata de un suceso muy particular en el que la estructura tiene que soportar unas cargas complejas y excepcionales con las que la aeronave debe ser capaz de completar con éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño de pala perdida, la velocidad y el momento en el que se produce la rotura, y la rigidez y resistencia de los apoyos del motor. Se tiene en cuenta incluso el amortiguamiento estructural del sistema. Las distintas estrategias de análisis permiten obtener unos resultados valiosos e interesantes que han sido objeto de distintas publicaciones. ABSTRACT Dynamic phenomena can endanger the integrity of aerospace structures and, consequently, engineers have developed different strategies to analyze them. One of the major engineering problems is how to deal with the structural dynamics. In this thesis, different dynamic phenomena are introduced and several methods are proposed to estimate or simulate their behaviors. The analysis is considered through parametric, deterministic and statistical methods. The suggested issues are from simple problems with few degrees of freedom, in order to develop different strategies and tools to solve them, to very dynamic phenomena containing nonlinear behaviors failures, damages. The first examples cover a wide variety of dynamic phenomena such as vibration analysis of mass elements, including impacts and contacts, and beam analysis with harmonic load applied, in which random parameters are included. These parameters can represent the unawareness or uncertainty of certain variables. During the development of the thesis several concepts are introduced and different methods are applied, such as the finite element method (FEM), which is solved through implicit and explicit schemes, and parametrical and statistical methods using the Monte Carlo analysis technique. Next, once the tools and strategies of analysis are set out more complex phenomena are studied. This is the case of a low-speed impact in composite materials, the residual strength of the structure is evaluated, and therefore, its damage tolerance. This incident may occur from a tool dropped, hail or debris throw on the runway. At an airport may also occur, and it is also analyzed, a collision between an airplane and a frangible device. The devise must brake under these loads, however, it must withstand others. Finally, all the considered methodology is applied to simulate and analyze a flight incident, the blade loss phenomenon of a turboprop. In this particular event the structure must support complex and exceptional loads and the aircraft must be able to successfully complete the flight. Nonlinear behavior, damage, and different types of failures are included in the analysis, in which the key parameters in the failure sequence are identified. The incident is analyzed by deterministic structural analysis and also by other techniques such as Monte Carlo method, in which it is possible to include different parametric uncertainties through random variables. Some of the evaluated parameters are, among others, the blade loss size, propeller rotational frequency, speed and angular position where the blade is lost, and the stiffness and strength of the engine mounts. The study does also research on the structural damping of the system. The different strategies of analysis obtain valuable and interesting results that have been already published.

Metodología para la optimización y análisis de la respuesta de medios e infraestructuras en el sistema aeroportuario en operaciones invernales mediante modelos basados en algorítmos genéticos

En este estudio, englobado dentro del campo de la investigación operacional en aeropuertos, se considera el problema de la optimización de la secuencia de descontaminación de nieve de los tramos que componen el área de maniobras de un aeropuerto, denominado RM-AM. Este problema se enfrenta a la optimización de recursos limitados para retirar la nieve de las calles de rodadura y pistas, dejándolas en un estado aceptable para la operación de aeronaves. El campo de vuelos se divide en subconjuntos de tramos significativos para la operación y se establecen tiempos objetivo de apertura al tráfico de aeronaves. Se desarrollan varios algoritmos matemáticos en los que se proponen distintas funciones objetivo, como son la hora de finalización del proceso, la suma de las horas de finalización de cada tramo, o el retraso entre la hora estimada y la hora de finalización. Durante este proceso, se van introduciendo restricciones operativas relativas al cumplimiento de objetivos operativos parciales aplicados a las zonas de especial interés, o relativas a la operación de los equipos de descontaminación. El problema se resuelve mediante optimización basada en programación lineal. Los resultados de las pruebas computacionales se hacen sobre cinco modelos de área de maniobras en los que va creciendo la complejidad y el tamaño. Se comparan las prestaciones de los distintos algoritmos. Una vez definido el modelo matemático para la optiamización, se propone una metodología estructurada para abordar dicho problema para cualquier área de manobras. Se define una estrategia en la operación. Se acomete el área de maniobras por zonas, con la condición de que los subconjuntos de tramos significativos queden englobados dentro de una sola de estas zonas. El problema se resuelve mediante un proceso iterativo de optimización aplicado sucesivamente a las zonas que componen el área de maniobras durante cada iteración. Se analiza la repercusión de los resultados en los procesos DMAN, AMAN y TP, para la integración de los resultados en el cálculo de TSAT y EBIT. El método se particulariza para el caso del área de maniobras del Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid Barajas. ABSTRACT This study, which lies within the field of operations research in airports, considers the optimisation of the sequence for clearing snow from stretches of the manoeuvring area of an airport, known as RM-AM. This issue involves the optimisation of limited resources to remove snow from taxiways and runways thereby leaving them in an acceptable condition for operating aircraft. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are established during which these are open to aircraft traffic. The study contains several mathematical models each with different functions, such as the end time of the process, the sum of the end times of each stretch, and gap between the estimated and the real end times. During this process, we introduce different operating restrictions on partial fulfilment of the operational targets as applied to zones of special interest, or relating to the operation of the snow-clearing machines. The problem is solved by optimisation based on linear programming. Computational tests are carried out on five distinct models of the manoeuvring area, which cover increasingly complex situations and larger areas. The different algorithms are then compared to one other. Having defined the mathematical model for the optimisation, we then set out a structured methodology to deal with any type of manoeuvring area. In other words, we define an operational strategy. The airfield is divided into subsets of significant stretches for the purpose of operations and target times are set at which these are to be open to aircraft traffic. The manoeuvring area is also divided into zones, with the condition that the subsets of significant stretches lie within just one of these zones. The problem is solved by an iterative optimisation process based on linear programming applied successively to the zones that make up the manoeuvring area during each iteration. The impact of the results on DMAN, AMAN and TP processes is analysed for their integration into the calculation of TSAT and EBIT. The method is particularized for the case of the manoeuvring area of Adolfo Suarez Madrid - Barajas Airport.