Mesh Generation and Isogeometric Analysis

[EN]We present advances of the meccano method [1,2] for tetrahedral mesh generation and volumetric parameterization of solids. The method combines several former procedures: a mapping from the meccano boundary to the solid surface, a 3-D local refinement algorithm and a simultaneous mesh untangling and smoothing. The key of the method lies in defining a one-to-one volumetric transformation between the parametric and physical domains. Results with adaptive finite elements will be shown for several engineering problems. In addition, the application of the method to T-spline modelling and isogeometric analysis [3,4] of complex geometries will be introduced…

Advances on T-spline parameterization based on the meccano method

[EN]We have recently introduced a new strategy, based on the meccano method [1, 2], to construct a T-spline parameterization of 2D and 3D geometries for the application of iso geometric analysis [3, 4]. The proposed method only demands a boundary representation of the geometry as input data. The algorithm obtains, as a result, high quality parametric transformation between the objects and the parametric domain, i.e. the meccano. The key of the method lies in de_ning an isomorphic transformation between the parametric and physical T-mesh _nding the optimal position of the interior nodes, once the meccano boundary nodes are mapped to the boundary of the physical domain…

The meccano method for isogeometric analysis of planar domains

[EN]The authors have recently introduced the meccano method for tetrahedral mesh generation and volume parameterization of solids. In this paper, we present advances of the method for T-spline modelling and analysis of complex geometries. We consider a planar domain composed by several irregular sub-domains. These sub-regions are defined by their boundaries and can represent different materials. The bivariate T-spline representation of the whole physical domain is constructed from a square. In this procedure, a T-mesh optimization method is crucial. We show results of an elliptic problem by using a quadtree local T-mesh refinement technique…

Application of genetic algorithms for the calibration of an air quality model and its validation using pollutant measures from the surroundings of an electric power plant

[EN]This work presents the calibration and validation of an air quality finite element model applied to emissions from a thermal power plant located in Gran Canaria. The calibration is performed using genetic algorithms. To calibrate and validate the model, the authors use empirical measures of pollutants concentrations from 4 stations located nearby the power plant; an hourly record per station during 3 days is available. Measures from 3 stations will be used to calibrate, while validation will use measures from the remaining station…

T-spline parameterization of 2D geometries based on the meccano method with a new T-mesh optimization algorithm

[EN]We present a new method, based on the idea of the meccano method and a novel T-mesh optimization procedure, to construct a T-spline parameterization of 2D geometries for the application of isogeometric analysis. The proposed method only demands a boundary representation of the geometry as input data. The algorithm obtains, as a result, high quality parametric transformation between 2D objects and the parametric domain, the unit square. First, we define a parametric mapping between the input boundary of the object and the boundary of the parametric domain. Then, we build a T-mesh adapted to the geometric singularities of the domain in order to preserve the features of the object boundary with a desired tolerance…

Tetrahedral mesh optimization combining boundary and inner node relocation and adaptive local refinement

[EN]This work introduces a new technique for tetrahedral mesh optimization. The procedure relocates boundary and inner nodes without changing the mesh topology. In order to maintain the boundary approximation while boundary nodes are moved, a local refinement of tetrahedra with faces on the solid boundary is necessary in some cases. New nodes are projected on the boundary by using a surface parameterization. In this work, the proposed method is applied to tetrahedral meshes of genus-zero solids that are generated by the meccano method. In this case, the solid boundary is automatically decomposed into six surface patches which are parameterized into the six faces of a cube with the Floater parameterization...

Adaptive Finite Element Method with a local element parametrization nested meses

[EN]This work presents a novel approach to solve a two dimensional problem by using an adaptive finite element approach. The most common strategy to deal with nested adaptivity is to generate a mesh that represents the geometry and the input parameters correctly, and to refine this mesh locally to obtain the most accurate solution. As opposed to this approach, the authors propose a technique using independent meshes : geometry, input data and the unknowns. Each particular mesh is obtained by a local nested refinement of the same coarse mesh at the parametric space…

Construction of polynomial spline spaces over quadtree and octree T-meshes

[EN]We present a new strategy for constructing tensor product spline spaces over quadtree and octree T-meshes. The proposed technique includes some simple rules for inferring local knot vectors to define spline blending functions. These rules allow to obtain for a given T-mesh a set of cubic spline functions that span a space with nice properties: it can reproduce cubic polynomials, the functions are C2-continuous, linearly independent, and spaces spanned by nested T-meshes are also nested. In order to span spaces with these properties applying the proposed rules, the T-mesh should fulfill the only requirement of being a 0-balanced quadtree or octree. ..

Local scale air quality model with several pollutant sources

[EN]This paper shows a finite element method for pollutant transport with several pollutant sources. An Eulerian convection–diffusion–reaction model to simulate the pollutant dispersion is used. The discretization of the different sources allows to impose the emissions as boundary conditions. The Eulerian description can deal with the coupling of several plumes. An adaptive stabilized finite element formulation, specifically Least-Squares, with a Crank-Nicolson temporal integration is proposed to solve the problem. An splitting scheme has been used to treat separately the transport and the reaction. A mass-consistent model has been used to compute the wind field of the problem…

Surface insertion in a tetrahedral mesh using the meccano method

[EN]This work presents an innovative method to insert an open surface in a tetrahedral mesh. The insertion of a surface in a mesh can be done with 2 different approaches: introduce the surface to the geometry before generating the mesh, or insert the surface once the mesh is generated. This work uses the second approach. Essentially, the surface is first approximated by a set of faces of the existing mesh. This set is refined to obtain a more accurate approximation. Finally, the set is processed to satisfy some topological properties and projected to the actual surface. The strategy is based on a mesh generated by the Meccano Method…

Some advances in open problems of isogeometric analysis

[EN]Isogeometric analysis (IGA) has arisen as an attempt to unify the fields of CAD and classical finite element methods. The main idea of IGA consists in using for analysis the same functions (splines) that are used in CAD representation of the geometry. The main advantage with respect to the traditional finite element method is a higher smoothness of the numerical solution and more accurate representation of the geometry. IGA seems to be a promising tool with wide range of applications in engineering. However, this relatively new technique have some open problems that require a solution. In this work we present our results and contributions to this issue…

Cargas explosivas sobre pilares y forjados modelados con elementos tipo viga y lámina

Los fenómenos de impacto y explosión sobre estructuras de hormigón tienen efectos en muchos casos catastróficos a pesar de su reducida probabilidad. Las estructuras de hormigón no suelen estar diseñadas para resistir este tipo de solicitaciones dinámicas. El análisis numérico mediante elementos finitos con integración explícita permite una aproximación suficiente a los efectos de la onda explosiva sobre pilares y forjados de estructuras reticuladas de hormigón. Los materiales recientemente implementados en LS-Dyna para hormigón como el CSCM [1], para elementos de continuo 3D, y la formulación que proporciona la debida compatibilidad con los elementos viga de acero dispuestos de forma segregada, permite estudiar de forma realista modelos detallados de pilares y forjados. Pero las limitaciones computacionales hacen inviable emplear estos métodos en estructuras completas. Como alternativa es posible usar modelos de elementos estructurales de vigas y láminas para el análisis de estas estructuras. Sin embargo es necesario un adecuado ajuste de parámetros y propiedades en estos modelos. Este trabajo muestra un método con en el que obtener modelos de elementos estructurales, elementos viga y lámina, usando modelos de material [2] adecuados para ellos, junto a un procedimiento para incluir la armadura de forma adecuada. Utilizando este método es posible representar con suficiente aproximación el comportamiento de modelos detallados realistas de forjados y pilares de estructuras reticuladas de hormigón frente a acciones explosivas, posibilitando el análisis de una estructura completa frente a explosión.

Estudio de la tolerancia al daño de los materiales y sistemas de pretensado

La mayoría de las estructuras de hormigón pretensadas construidas en los últimos 50 años han demostrado una excelente durabilidad cuando su construcción se realiza atendiendo las recomendaciones de un buen diseño así como una buena ejecución y puesta en obra de la estructura. Este hecho se debe en gran parte al temor que despierta el fenómeno de la corrosión bajo tensión típico de las armaduras de acero de alta resistencia. Menos atención se ha prestado a la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión de los anclajes de postensado, posiblemente debido a que se han reportado pocos casos de fallos catastróficos. El concepto de Tolerancia al Daño y la Mecánica de la Fractura en estructuras de Ingeniería Civil ha empezado a incorporarse recientemente en algunas normas de diseño y cálculo de estructuras metálicas, sin embargo, aún está lejos de ser asimilado y empleado habitualmente por los ingenieros en sus cálculos cuando la ocasión lo requiere. Este desconocimiento de los aspectos relacionados con la Tolerancia al Daño genera importantes gastos de mantenimiento y reparación. En este trabajo se ha estudiado la aplicabilidad de los conceptos de la Mecánica de la Fractura a los componentes de los sistemas de postensado empleados en ingeniería civil, empleándolo para analizar la susceptibilidad de las armaduras activas frente a la corrosión bajo tensiones y a la pérdida de capacidad portante de las cabezas de anclajes de postensado debido a la presencia de defectos. Con este objeto se han combinado tanto técnicas experimentales como numéricas. Los defectos superficiales en los alambres de pretensado no se presentan de manera aislada si no que existe una cierta continuidad en la dirección axial así como un elevado número de defectos. Por este motivo se ha optado por un enfoque estadístico, que es más apropiado que el determinístico. El empleo de modelos estadísticos basados en la teoría de valores extremos ha permitido caracterizar el estado superficial en alambres de 5,2 mm de diámetro. Por otro lado la susceptibilidad del alambre frente a la corrosión bajo tensión ha sido evaluada mediante la realización de una campaña de ensayos de acuerdo con la actual normativa que ha permitido caracterizar estadísticamente su comportamiento. A la vista de los resultados ha sido posible evaluar como los parámetros que definen el estado superficial del alambre pueden determinar la durabilidad de la armadura atendiendo a su resistencia frente a la corrosión bajo tensión, evaluada mediante los ensayos que especifica la normativa. En el caso de las cabezas de anclaje de tendones de pretensado, los defectos se presentan de manera aislada y tienen su origen en marcas, arañazos o picaduras de corrosión que pueden producirse durante el proceso de fabricación, transporte, manipulación o puesta en obra. Dada la naturaleza de los defectos, el enfoque determinístico es más apropiado que el estadístico. La evaluación de la importancia de un defecto en un elemento estructural requiere la estimación de la solicitación local que genera el defecto, que permite conocer si el defecto es crítico o si puede llegar a serlo, si es que progresa con el tiempo (por fatiga, corrosión, una combinación de ambas, etc.). En este trabajo los defectos han sido idealizados como grietas, de manera que el análisis quedara del lado de la seguridad. La evaluación de la solicitación local del defecto ha sido calculada mediante el empleo de modelos de elementos finitos de la cabeza de anclaje que simulan las condiciones de trabajo reales de la cabeza de anclaje durante su vida útil. A partir de estos modelos numéricos se ha analizado la influencia en la carga de rotura del anclaje de diversos factores como la geometría del anclaje, las condiciones del apoyo, el material del anclaje, el tamaño del defecto su forma y su posición. Los resultados del análisis numérico han sido contrastados satisfactoriamente mediante la realización de una campaña experimental de modelos a escala de cabezas de anclaje de Polimetil-metacrilato en los que artificialmente se han introducido defectos de diversos tamaños y en distintas posiciones. ABSTRACT Most of the prestressed concrete structures built in the last 50 years have demonstrated an excellent durability when they are constructed in accordance with the rules of good design, detailing and execution. This is particularly true with respect to the feared stress corrosion cracking, which is typical of high strength prestressing steel wires. Less attention, however, has been paid to the stress corrosion cracking susceptibility of anchorages for steel tendons for prestressing concrete, probably due to the low number of reported failure cases. Damage tolerance and fracture mechanics concepts in civil engineering structures have recently started to be incorporated in some design and calculation rules for metallic structures, however it is still far from being assimilated and used by civil engineers in their calculations on a regular basis. This limited knowledge of the damage tolerance basis could lead to significant repair and maintenance costs. This work deals with the applicability of fracture mechanics and damage tolerance concepts to the components of prestressed systems, which are used in civil engineering. Such concepts have been applied to assess the susceptibility of the prestressing steel wires to stress corrosion cracking and the reduction of load bearing capability of anchorage devices due to the presence of defects. For this purpose a combination of experimental work and numerical techniques have been performed. Surface defects in prestressing steel wires are not shown alone, though a certain degree of continuity in the axial direction exist. A significant number of such defects is also observed. Hence a statistical approach was used, which is assumed to be more appropriate than the deterministic approach. The use of statistical methods based in extreme value theories has allowed the characterising of the surface condition of 5.2 mm-diameter wires. On the other hand the stress corrosion cracking susceptibility of the wire has been assessed by means of an experimental testing program in line with the current regulations, which has allowed statistical characterisasion of their performances against stress corrosion cracking. In the light of the test results, it has been possible to evaluate how the surface condition parameters could determine the durability of the active metal armour regarding to its resistance against stress corrosion cracking assessed by means of the current testing regulations. In the case of anchorage devices for steel tendons for prestressing concrete, the damage is presented as point defects originating from dents, scratches or corrosion pits that could be produced during the manufacturing proccess, transport, handling, assembly or use. Due to the nature of these defects, in this case the deterministic approach is more appropriate than the statistical approach. The assessment of the relevancy of defect in a structural component requires the computation of the stress intensity factors, which in turn allow the evaluation of whether the size defect is critical or could become critical with the progress of time (due to fatigue, corrosion or a combination of both effects). In this work the damage is idealised as tiny cracks, a conservative hypothesis. The stress intensity factors have been calculated by means of finite element models of the anchorage representing the real working conditions during its service life. These numeric models were used to assess the impact of some factors on the rupture load of the anchorage, such the anchorage geometry, material, support conditions, defect size, shape and its location. The results from the numerical analysis have been succesfully correlated against the results of the experimental testing program of scaled models of the anchorages in poly-methil methacrylate in which artificial damage in several sizes and locations were introduced.

Modelos numéricos en la construcción de los túneles de "El Padrún"

La construcción de los túneles de El Padrún constituye un hito en la realización de obras subterráneas en España. Su ejecución se ha caracterizado por la utilización de la más reciente tecnología. La aplicación del llamado Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM) como base del proyecto se ha llevado a cabo con rigor en todos sus extremos. De acuerdo a esta filosofía, el trabajo de la Asistencia Técnica se ha centrado en una doble línea: el control instrumental sistemático de la obra, y la interpretación de los datos recogidos mediante análisis numérico. El primer objetivo se ha cubierto mediante un ambicioso plan de instrumentación. En él se han incluido medidas para la caracterización del sistema terreno-sostenimiento. La información se ha mantenido centralizada en una base de datos dispuesta a pie de obra. Los datos recogidos de la instrumentación han sido la base de modelos teóricos desarrollados con el objetivo de interpretar la evolución de convergencias e identificar las presiones actuantes sobre el sostenimiento. Por otro lado, en el análisis de estabilidad exterior e interior se han aplicado refinadas técnicas de cálculo numérico (Elementos Finitos, Elementos de Contorno, Teoría de Bloques etc.). Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica de Métodos de Fiabilidad. En ella se aborda, con un planteamiento avanzado, el problema de evaluación de la seguridad de la obra.

Técnicas avanzadas de metrología dimensional indirecta mediante el empleo de máquinas de medición por visión en entornos industriales. Modelo para la estimación de incertidumbres

Esta tesis contiene una investigación detallada sobre las características y funcionamiento de las máquinas de medición por visión. El objetivo fundamental es modelar su comportamiento y dotarlas de trazabilidad metrológica bajo cualquier condición de medida. Al efecto, se ha realizado un exhaustivo análisis de los elementos que conforman su cadena de medición, a saber: sistema de iluminación, estructura, lentes y objetivos, cámara, software de tratamiento de imágenes y software de cálculo. Se han definido modelos físico-matemáticos, de desarrollo propio, capaces de simular con fiabilidad el comportamiento de los elementos citados, agrupados, a efectos de análisis numérico, en dos subsistemas denominados: de visión y mecánico. Se han implementado procedimientos de calibración genuinos para ambos subsistemas mediante el empleo de patrones ópticos. En todos los casos se ha podido determinar la incertidumbre asociada a los diferentes parámetros involucrados, garantizando la trazabilidad metrológica de los resultados. Los distintos modelos desarrollados han sido implementados en Matlab®. Se ha verificado su validez empleando valores sintéticos obtenidos a partir de simulaciones informáticas y también con imágenes reales capturadas en el laboratorio. El estudio experimental y validación definitiva de los resultados se ha realizado en el Laboratorio de Longitud del Centro Español de Metrología y en el Laboratorio de Metrología Dimensional de la ETS de Ingeniería y Diseño Industrial de la UPM. Los modelos desarrollados se han aplicado a dos máquinas de medición por visión de diferentes características constructivas y metrológicas. Empleando dichas máquinas se han medido distintas piezas, pertenecientes a los ámbitos mecánico y oftalmológico. Los resultados obtenidos han permitido la completa caracterización dimensional de dichas piezas y la determinación del cumplimiento de las especificaciones metrológicas en todos los casos, incluyendo longitudes, formas y ángulos. ABSTRACT This PhD thesis contains a detailed investigation of characteristics and performance of the optical coordinate measurement machines. The main goal is to model their behaviour and provide metrological traceability to them under any measurement conditions. In fact, a thorough analysis of the elements which form the measuring chain, i.e.: lighting system, structure, lenses and objectives, camera, image processing software and coordinate metrology software has conducted. Physical-mathematical models, of self-developed, able to simulate with reliability the behavior of the above elements, grouped, for the purpose of numerical analysis, in two subsystems called: “vision subsystem” and “mechanical subsystem”, have been defined. Genuine calibration procedures for both subsystems have been implemented by use of optical standards. In all cases, it has been possible to determine the uncertainty associated with the different parameters involved, ensuring metrological traceability of results. Different developed models have been implemented in Matlab®. Their validity has been verified using synthetic values obtained from computer simulations and also with real images captured in laboratory. The experimental study and final validation of the results was carried out in the Length Laboratory of “Centro Español de Metrología” and Dimensional Metrology Laboratory of the “Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial” of the UPM. The developed models have been applied to two optical coordinate measurement machines with different construction and metrological characteristics. Using such machines, different parts, belonging to the mechanical and ophthalmologist areas, have been measured. The obtained results allow the full dimensional characterization of such parts and determination of compliance with metrological specifications in all cases, including lengths, shapes and angles.