Simulación del proceso de rotura por tracción de alambres de acero perlítico con un modelo de fisura cohesiva

La fractura de metales dúctiles como el acero suele explicarse a partir de la hipótesis de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A partir de esta teoría, se han desarrollado diversos modelos numéricos, entre los que el modelo de Gurson y sus variantes son los más extendidos. Dichos modelos reproducen matemáticamente el fenómeno físico de crecimiento de huecos resultando en un desarrollo progresivo del daño en el interior del material durante un ensayo de tracción. En estos modelos, el daño comienza a desarrollarse en fases muy tempranas del ensayo, incluso anteriores a la carga máxima. Ensayos realizados por los autores parecen indicar, sin embargo, que en el caso de barras de acero eutéctico empleado en la fabricación de alambres de pretensado, el daño originado en el interior del material como consecuencia del crecimiento de microhuecos sólo es apreciable en un estado muy avanzado del ensayo, momentos antes de producirse la rotura. Además, desde hace décadas se conoce que la triaxialidad de tensiones tiene una fuerte influencia sobre la rotura de los materiales. En este trabajo se presenta un modelo de rotura para elementos de acero sometidos a tracción, basado en un comportamiento cohesivo del material y que contempla el valor de la triaxialidad de tensiones, diferente en cada punto de la sección crítica de rotura. The fracture of ductile materials, such as steel, is usually explained with the theory of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Based on this theory, many numerical models have been developed, with a special mention to Gurson-type models. These models simulate mathematically the physical growth of microvoids, leading to a progressive development of the internal damage that takes place during a tensile test. In these models, the damage starts to develop in very early stages of the test. Tests carried out by the authors seem to point out that, in the case of eutectoid steel bars used for manufacturing prestressing steel wires, the internal damage that takes place as a result of the growth of microvoids is only noticeable in a very advanced state of the test. In addition to this, it is known that the stress triaxiality has a strong influence over the fracture of ductile materials. This work presents a fracture model for steel specimens in a tensile test, based on a cohesive behaviour and taking into account the effect of stress triaxiality, which is different in every point of the fracture plane.

Simulación de la rotura de barras de acero perlítico sometidas a tracción mediante un modelo de fisura cohesiva. Validación experimental

Las probetas cilíndricas fabricadas con materiales metálicos de elevada ductilidad, como el aluminio o el cobre, sometidas a tracción suelen presentar una rotura comúnmente denominada rotura en copa y cono, debido a su geometría. Este tipo de rotura se reproduce numéricamente con éxito mediante el modelo de Gurson-Tvergaard- Needleman, cuya formulación matemática se basa en el fenómeno físico de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A diferencia de dichos materiales, las barras de acero perlítico, material con una ductilidad apreciable, presentan un frente de rotura plano que no puede simularse correctamente con los modelos antes mencionados, apareciendo una región interior de daño que, en principio, también puede atribuirse a un fenómeno de nucleación y crecimiento de microhuecos, mientras que en el exterior aparece una zona cuya micrografía permite asociar su rotura a un mecanismo de clivaje. En trabajos anteriores los autores han presentado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones que, incorporado a un código de elementos finitos, permite reproducir de forma razonable el daño que se desarrolla en la región interior mencionada. En este trabajo se presentan los resultados de una campaña experimental que permite validar el modelo desarrollado. Para ello, se ensayan probetas de diferentes diámetros y se comparan los resultados con los obtenidos numéricamente, empleando tres bases extensométricas diferentes en cada uno de los diámetros. Los resultados numéricos se ajustan razonablemente bien a los obtenidos experimentalmente.The cylindrical specimens made of high-ductility metallic materials, such as aluminium and copper, usually fail showing a fracture surface commonly known as cup-cone fracture because of its shape. This type of fracture is successfully reproduced using the Gurson-Tvergaard-Needleman model, which is based on the physical process of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Unlike these materials, pearlitic steel bars, which are considerably ductile, show a flat fracture surface that cannot be correctly reproduced with the aforementioned models. In this flat fracture surface, a dark region can be observed in the centre of the specimen, which is the result of a process of nucleation and growth of microvoids, while in the rest of the fracture surface a different region can be identified, which a micrographic study reveals to be the result of a process of cleavage. In previous works, the authors presented a triaxiality-dependent cohesive interface element that, implemented in a finite element code, can reproduce in a reasonably accurate manner the damage that takes place in the dark region mentioned before. The results of an experimental campaign designed to validate the model are presented in this paper. For it, different diameter specimens are tested and these results are compared to those obtained with the numerical models, using three different initial lengths for the strain. Numerical results agree reasonably well with those obtained experimentally.

Simulación de la rotura de barras de acero perlítico sometidas a tracción mediante un modelo de fisura cohesiva. Validación experimental

Las probetas cilíndricas fabricadas con materiales metálicos de elevada ductilidad, como el aluminio o el cobre, sometidas a tracción suelen presentar una rotura comúnmente denominada rotura en copa y cono, debido a su geometría. Este tipo de rotura se reproduce numéricamente con éxito mediante el modelo de Gurson-Tvergaard- Needleman, cuya formulación matemática se basa en el fenómeno físico de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A diferencia de dichos materiales, las barras de acero perlítico, material con una ductilidad apreciable, presentan un frente de rotura plano que no puede simularse correctamente con los modelos antes mencionados, apareciendo una región interior de daño que, en principio, también puede atribuirse a un fenómeno de nucleación y crecimiento de microhuecos, mientras que en el exterior aparece una zona cuya micrografía permite asociar su rotura a un mecanismo de clivaje. En trabajos anteriores los autores han presentado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones que, incorporado a un código de elementos finitos, permite reproducir de forma razonable el daño que se desarrolla en la región interior mencionada. En este trabajo se presentan los resultados de una campaña experimental que permite validar el modelo desarrollado. Para ello, se ensayan probetas de diferentes diámetros y se comparan los resultados con los obtenidos numéricamente, empleando tres bases extensométricas diferentes en cada uno de los diámetros. Los resultados numéricos se ajustan razonablemente bien a los obtenidos experimentalmente.The cylindrical specimens made of high-ductility metallic materials, such as aluminium and copper, usually fail showing a fracture surface commonly known as cup-cone fracture because of its shape. This type of fracture is successfully reproduced using the Gurson-Tvergaard-Needleman model, which is based on the physical process of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Unlike these materials, pearlitic steel bars, which are considerably ductile, show a flat fracture surface that cannot be correctly reproduced with the aforementioned models. In this flat fracture surface, a dark region can be observed in the centre of the specimen, which is the result of a process of nucleation and growth of microvoids, while in the rest of the fracture surface a different region can be identified, which a micrographic study reveals to be the result of a process of cleavage. In previous works, the authors presented a triaxiality-dependent cohesive interface element that, implemented in a finite element code, can reproduce in a reasonably accurate manner the damage that takes place in the dark region mentioned before. The results of an experimental campaign designed to validate the model are presented in this paper. For it, different diameter specimens are tested and these results are compared to those obtained with the numerical models, using three different initial lengths for the strain. Numerical results agree reasonably well with those obtained experimentally.

Las construcciones subterráneas para bodegas, un modelo de ahorro de energía mediante los sistemas constructivos. Estudio de las condiciones higrotérmicas, ventilación y modelos de simulación

Esta tesis se enmarca dentro de una línea de investigación iniciada en el 2004 focalizada en el estudio de soluciones constructivas energéticamente eficientes para la crianza del vino. El objetivo principal es promover el ahorro energético y la sostenibilidad en el diseño de la sala de crianza de las bodegas. Para ello, se profundiza en el estudio de las bodegas subterráneas, ejemplo de eco-construcción, ya que por lo general proporcionan condiciones adecuadas para la crianza sin gasto energético en climatización. En concreto, se abordan aspectos clave para la caracterización y comprensión del funcionamiento de estas construcciones, que en muchas ocasiones condicionan el éxito o el fracaso de las mismas. Así, se analiza el complejo comportamiento de la ventilación natural a lo largo del año, determinando los factores que la condicionan, desvelando el papel que desempeña tanto el túnel de acceso como las chimeneas de ventilación en su funcionamiento. Además, se desarrollan y validan modelos de simulación mediante CFD, que permiten evaluar y predecir con detalle el comportamiento termofluidodinámico de las construcciones subterráneas. Por otra parte, se cuantifica la uniformidad y estabilidad de la sala de crianza a lo largo del año, información que permite fijar recomendaciones y pautas concretas de diseño de los planes de monitorización. Finalmente, se determinan las diferencias de comportamiento higrotérmico existentes entre un amplio abanico de bodegas subterráneas para vino tinto, bodegas representativas de otras soluciones constructivas alternativas de vino tinto, así como bodegas para cavas y vinos generosos, enmarcando el comportamiento de estas bodegas en un contexto global. Además, se desarrollan metodologías adaptadas a las características particulares de estas construcciones, en concreto un sistema de monitorización basado en termografía infrarroja para llevar a cabo inspecciones puntuales para el control ambiental de grandes naves de crianza. Es de esperar que los estudios técnicos y las herramientas desarrolladas ayuden a mejorar el diseño de nuevas bodegas, y a la mejora de las condiciones higrotérmicas de las ya existentes, colaborando a que España siga situada en la vanguardia de la producción de vino de calidad. ABSTRACT This thesis is part of the research started in 2004 and focusing on the study of the energy efficiency in wine aging constructive solutions. The main objective is to promote energy conservation and sustainability in the design of wine aging rooms. To do so, this study focuses on the analysis of the underground cellars, example of eco-construction, since they usually provide adequate conditions for wine aging without using air-conditioning systems. In particular, key aspects for characterizing and understanding these constructions, which often determine the success or failure of them. Thus, the complex behavior of natural ventilation throughout the year is discussed, determining the influencing factors and revealing the role of both the access tunnel and the ventilation chimney. In addition, numerical models are developed and validated using CFD simulation, allowing an in-depth assessment and prediction of the thermofluidynamic behavior in underground constructions. Moreover, uniformity and stability of the aging room throughout the year is quantified, allowing for precise information useful to set recommendations and design guidelines for defining monitoring plans. Finally, hygrothermal behavior differences between a wide range of underground cellars for red wine, red wine wineries with alternative construction solutions and wineries for generous wines and cava wines, In addition, new methodologies adapted towards the particular characteristics of these constructions, a monitoring system based on infrared thermography to perform periodic inspections for environmental controls of the aging rooms, are developed. It is expected that the technical studies and tools developed here will help to improve the design of new wineries, and also the hygrothermal conditions of the existing ones, headed for keeping Spain in the forefront of the countries producing high quality wine.

Ajuste del modelo de Drucker Prager extendido para la simulación de la respuesta mecánica de un vertisol mediante el método de elementos finitos

La mecanización de las labores del suelo es la causa, por su consumo energético e impacto directo sobre el medio ambiente, que más afecta a la degradación y pérdida de productividad de los suelos. Entre los factores de disminución de la productividad se deben considerar la compactación, la erosión, el encostramiento y la pérdida de estructura. Todo esto obliga a cuidar el manejo agrícola de los suelos tratando de mejorar las condiciones del suelo y elevar sus rendimientos sin comprometer aspectos económicos, ecológicos y ambientales. En el presente trabajo se adecuan los parámetros constitutivos del modelo de Drucker Prager Extendido (DPE) que definen la fricción y la dilatancia del suelo en la fase de deformación plástica, para minimizar los errores en las predicciones durante la simulación de la respuesta mecánica de un Vertisol mediante el Método de Elementos Finitos. Para lo cual inicialmente se analizaron las bases teóricas que soportan este modelo, se determinaron las propiedades y parámetros físico-mecánicos del suelo requeridos como datos de entrada por el modelo, se determinó la exactitud de este modelo en las predicciones de la respuesta mecánica del suelo, se estimaron mediante el método de aproximación de funciones de Levenberg-Marquardt los parámetros constitutivos que definen la trayectoria de la curva esfuerzo-deformación plástica. Finalmente se comprobó la exactitud de las predicciones a partir de las adecuaciones realizadas al modelo. Los resultados permitieron determinar las propiedades y parámetros del suelo, requeridos como datos de entrada por el modelo, mostrando que su magnitud está en función su estado de humedad y densidad, además se obtuvieron los modelos empíricos de estas relaciones exhibiendo un R2>94%. Se definieron las variables que provocan las inexactitudes del modelo constitutivo (ángulo de fricción y dilatancia), mostrando que las mismas están relacionadas con la etapa de falla y deformación plástica. Finalmente se estimaron los valores óptimos de estos ángulos, disminuyendo los errores en las predicciones del modelo DPE por debajo del 4,35% haciéndelo adecuado para la simulación de la respuesta mecánica del suelo investigado. ABSTRACT The mechanization using farming techniques is one of the main factors that affects the most the soil, causing its degradation and loss of productivity, because of its energy consumption and direct impact on the environment. Compaction, erosion, crusting and loss of structure should be considered among the factors that decrease productivity. All this forces the necessity to take care of the agricultural-land management trying to improve soil conditions and increase yields without compromising economic, ecological and environmental aspects. The present study was aimed to adjust the parameters of the Drucker-Prager Extended Model (DPE), defining friction and dilation of soil in plastic deformation phase, in order to minimize the error of prediction when simulating the mechanical response of a Vertisol through the fine element method. First of all the theoretic fundamentals that withstand the model were analyzed. The properties and physical-mechanical parameters of the soil needed as input data to initialize the model, were established. And the precision of the predictions for the mechanical response of the soil was assessed. Then the constitutive parameters which define the path of the plastic stress-strain curve were estimated through Levenberg-Marquardt method of function approximations. Lastly the accuracy of the predictions from the adequacies made to the model was tested. The results permitted to determine those properties and parameters of the soil, needed in order to initialize the model. It showed that their magnitude is in function of density and humidity. Moreover, the empirical models from these relations were obtained: R2>94%. The variables producing inaccuracies in the constitutive model (angle of repose and dilation) were defined, and there was showed that they are linked with the plastic deformation and rupture point. Finally the optimal values of these angles were established, obtaining thereafter error values for the DPE model under 4, 35%, and making it suitable for the simulation of the mechanical response of the soil under study.

Diseño y simulación numérica de un biorreactor: Aplicación a la producción de células microbianas

Los biorreactores son ampliamente empleados en las industrias de alimentos, fermentación, farmacéuticas y tratamiento de residuos. (...) Una característica de los biorreactores es que el medio de reacción está constituido por distintas fases. Esto hace que exista una importante interrelación entre los fenómenos bioquímicos, fisicoquímicos, fuidodinámicos y de transporte. (...) La experimentación preliminar en reactores de laboratorio, acompañada con el desarrollo de un modelo que permita comprender la naturaleza del fenómeno, es esencial para el diseño de biorreactores de capacidad de producción comercial. En el presente proyecto se establecerán, a partir de un estudio experimental a escala de laboratorio y la elaboración de un modelo y programa de simulación numérica de su operación, los factores que determinan la problemática del diseño de un reactor tanque agitado, de capacidad comercial, para la producción de cepas de Staphylococcus aureus. Los objetivos generales del presente proyecto son los siguientes: * Generar las bases técnico-científicas que permitan el diseño de un biorreactor discontinuo para la producción a escala comercial de cepas de Staphylococcus aureus. * Desarrollar equipos experimentales y generar herramientas computacionales que en el futuro permitan abordar otros problemas en el campo de la bioingeniería. Los objetivos específicos a alcanzar durante el período que abarca este proyecto de un año son los siguientes: * Determinar la cinética de crecimiento de cepas de S. aureus que contemplen la formación de productos. * Verificar el funcionamiento y calibración de sensores y controladores que forman parte del biorreactor experimental recientemente adquirido. * Estudiar experimentalmente la producción de S. aureus en un biorreactor de 3 lt. de capacidad, cuantificando el consumo de sustratos y la producción de biomasa, polisacárido capsular y exoproteínas. * Continuar con el desarrollo de un modelo matemático y un programa de simulación numérica que permitan describir la operación del reactor experimental y definir la problemática del escalado de la producción a nivel comercial.

Modelo de pérdida de paquetes para redes híbridas

El objetivo de este proyecto es la predicción de la pérdida de paquete. Para ello necesitaremos el modelado del canal. De esta manera, podremos determinar cuando una transmisión llega con éxito o no. En primer lugar, se han estudiado los algoritmos de adaptación de la tasa. Estos algoritmos mejoran el rendimiento de la comunicación. Por este motivo, el programa de simulación se basa en algunos de estos algoritmos. En paralelo, se han capturado medidas del canal terrestre para realizar el modelado. Finalmente, con un programa mucho más completo se ha simulado el comportamiento de una transmisión con el modelado del canal físico, y se han asumido algunas consideraciones, como las colisiones. Por lo tanto, se ha obtenido un resultado más realista, con el cual se ha analizado teóricamente las posibilidades de un enlace entre el canal terrestre y el canal satélite, para crear una red híbrida.

Modelo de red de interconexión basado en enlace

La computación de altas prestaciones es una área de la informática que evoluciona rápidamente, en la que actualmente aparecen nuevos computadores que llegan a los petaflops. Al principio del trabajo, se estudian los distintos tipos de redes de interconexión y los modelos de red que se utilizan para medir su latencia. El objetivo de este trabajo, es el diseño, implementación y simulación de un modelo de red de interconexión basado en enlace, que tiene en cuenta la información de topología y enrutamiento de la red de interconexión. Teniendo en cuenta que los modelos son una abstracción del sistema, en éste trabajo se hace la verificación y validación del modelo, para asegurar que éste se aproxima a lo planteado en el diseño y también que se parece al sistema que se quiere modelar.

Simulación de modelos orientados al individuo

Los bancos de peces es un grupo social organizado sin la presencia de un líder. Esta organización se atribuye a dos patrones de comportamiento: atracción biosocial y orientación paralela. Este sistema puede modelarse mediante la aproximación del Modelo orientado al Individuo, donde la conducta de cada individuo por separado define el comportamiento grupal de todos los individuos. El objetivo del trabajo es mejorar el rendimiento del simulador mediante una programación híbrida que aproveche las alternativas de paralelismo en el cómputo que ofrecen las recientes arquitecturas multicore en sistemas de altas prestaciones.

Proposición de un modelo matemático simple de persistencia de herbicidas en el suelo

El estudio propone un modelo simple de persistencia de herbicidas en el suelo basado en una serie de modificaciones al modelo desarrollado por Walker & Barnes. El modelo que se propone simula la degradación diaria de un herbicida en el suelo, a través del funcionamiento de tres submodelos: a) submodelo que estima la temperatura del suelo, b) submodelo del cálculo del contenido de humedad del suelo y c) submodelo que calcula la degradación del producto. Se entrega una descripción teórica de las modificaciones introducidas al modelo y un detalle del programa computacional en lenguaje BASIC. Se hizo una validación independiente de cada uno de los submodelos modificados y se concluye que todos ellos mejoran su eficiencia de predicción respecto al modelo original. La validación del submodelo de degradación se realizó utilizando información obtenida en campo en dos suelos diferentes de los herbicidas metsulfuron-metil y triasulfuron. Finalmente se concluye que el modelo propuesto sería eficiente en la simulación de la persistencia de estas sulfonilureas en el suelo, utilizando una cinética de primer grado para metsulfuron-metil y una de segundo grado para triasulfuron.

Sistema de evaluación para la toma decisión en la modificación de una estación de tren via simulación informática

Proyecto centrado en la simulación informática de modelos para la creación y modificaciones de una línea de ferrocarriles (tanto de paradas, intercambiadores como las infraestructura que los componen). Se utiliza Anylogic ya que cumple con los requisitos que se necesitan para la realización del modelo en realización prestaciones-precio, además, nos permite la importación y exportación de los datos para la generación de las entradas y estudio de las salidas.

Modelado, simulación y control digital de autogiros

Este proyecto consiste en diseñar el algoritmo de control de un autogiro no tripulado. Su aplicación principal es llevar a cabo tareas rutinarias o peligrosas para el piloto como, por ejemplo, extinción de incendios, evaluación de riesgo químico o vigilancia de lugares de acceso restringido. Se realiza un estudio del movimiento del vehículo para obtener su modelo dinámico. A partir de las ecuaciones que describen su movimiento, se realiza una simulación numérica del vehículo. Se incorpora el controlador diseñado y se evalúa su funcionamiento. Finalmente, se implementa el sistema en un microcontrolador.

Influencia de la información territorial en la simulación hidrológica. Aplicación a la cuenca de Canalda (El Solsonés)

La modelización hidrológica de cuencas requiere datos del territorio para hacer una correcta parametrización del modelo. La escala de entrada (grado de generalización) de los datos influirá en los cálculos de la escorrentía superficial realizados en la simulación. HEC-1 es un modelo empírico de simulación hidrológica de cuencas de amplia difusión. En la actualidad, se encuentra disponible conjuntamente con el programa informático WMS (Watershed Modeling System), que dispone de diferentes herramientas que facilitan el procesamiento de los datos del territorio. El modelo HEC-1 se ha aplicado a la cuenca de Canalda de 66 km2 (El Solsonés, Lleida) para conocer la influencia de generalizar los parámetros de entrada (usos y tipos de suelos y división en subcuencas) en el cálculo de la escorrentía superficial. Para aplicar el modelo ha sido necesario hacer un reconocimiento y estudio de los suelos de la cuenca, con énfasis especial en las propiedades físicas, la distribución y extensión de los suelos, obteniendo el mapa de suelos de la cuenca a escala 1:50.000. El proceso de generalización de los datos de entrada se ha efectuado con la escala base 1:50.000, realizando otras simulaciones a las escalas 1:100.000 y 1:200.000. En las simulaciones practicadas se obseva que el grado de generalización de los datos de entrada tiene efecto en el hidrograma de salida de la cuenca; al generalizar los datos a las escalas mencionadas se aprecia un retardo en el hidrograma y una reducción de la aportación total y del caudal punta.

Dinámica no lineal en la motivación en el trabajo: propuesta de un modelo y resultados preliminares

Muchos especialistas estarían de acuerdo en que la motivación en el trabajo debe entenderse como un proceso dinámico. Sin embargo, son pocas las investigaciones que se han interesado por la descripción y explicación de dicha dinámica motivacional. Este artículo propone un modelo complejo de motivación en el trabajo que integra tres variables clásicas en la literatura: motivos, autoeficacia e instrumentalidad. El modelo incorpora los cambios que se producen en la motivación a lo largo del tiempo como consecuencia de la retroalimentación producida por la variable ejecución (evaluada con un indicador de compromiso). En una muestra de 271 personas se establecen las relaciones que configuran el modelo y, utilizando la simulación informática, se demuestra que la dinámica del modelo es estable sólo cuando los motivos de la persona cambian de manera caótica. Este fenómeno tiene una serie de consecuencias, tanto para la investigación como para la gestión, que son ampliamente discutidas.

Estudio ergonómico sobre espacios de ocio dentro de los escenarios escolares universitarios : propuesta de un modelo.

Resumen basado en la publicación