State detection of bond wires in IGBT modules using eddy current pulsed thermography

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules are important safety critical components in electrical power systems. Bond wire lift-off, a plastic deformation between wire bond and adjacent layers of a device caused by repeated power/thermal cycles, is the most common failure mechanism in IGBT modules. For the early detection and characterization of such failures, it is important to constantly detect or monitor the health state of IGBT modules, and the state of bond wires in particular. This paper introduces eddy current pulsed thermography (ECPT), a nondestructive evaluation technique, for the state detection and characterization of bond wire lift-off in IGBT modules. After the introduction of the experimental ECPT system, numerical simulation work is reported. The presented simulations are based on the 3-D electromagnetic-thermal coupling finite-element method and analyze transient temperature distribution within the bond wires. This paper illustrates the thermal patterns of bond wires using inductive heating with different wire statuses (lifted-off or well bonded) under two excitation conditions: nonuniform and uniform magnetic field excitations. Experimental results show that uniform excitation of healthy bonding wires, using a Helmholtz coil, provides the same eddy currents on each, while different eddy currents are seen on faulty wires. Both experimental and numerical results show that ECPT can be used for the detection and characterization of bond wires in power semiconductors through the analysis of the transient heating patterns of the wires. The main impact of this paper is that it is the first time electromagnetic induction thermography, so-called ECPT, has been employed on power/electronic devices. Because of its capability of contactless inspection of multiple wires in a single pass, and as such it opens a wide field of investigation in power/electronic devices for failure detection, performance characterization, and health monitoring. 

GPU Acceleration of Partial Differential Equation Solvers

Differential equations are often directly solvable by analytical means only in their one dimensional version. Partial differential equations are generally not solvable by analytical means in two and three dimensions, with the exception of few special cases. In all other cases, numerical approximation methods need to be utilized. One of the most popular methods is the finite element method. The main areas of focus, here, are the Poisson heat equation and the plate bending equation. The purpose of this paper is to provide a quick walkthrough of the various approaches that the authors followed in pursuit of creating optimal solvers, accelerated with the use of graphical processing units, and comparing them in terms of accuracy and time efficiency with existing or self-made non-accelerated solvers.

Micromechanical Modelling of Non-Homogenous Materials by Meshless Methods

A detailed study of bi-material composites, using meshless methods (MMs), is presented in this paper. Firstly, representative volume elements (RVEs) for different bi-material combinations are analysed by the element-free Galerkin (EFG) method in order to confirm the effective properties of heterogeneous material through homogenization. The results are shown to be in good agreement with experimental results and those obtained using the finite element method (FEM) which required a higher node density. Secondly, a functionally graded material (FGM), with a crack, is analysed using the EFG method. This investigation was motivated by the possibility of replacing the distinct fibrematrix interface with a FGM interface. Finally, an illustrative example showing crack propagation, in a two-dimension micro-scale model of a SiC/Al composite is presented. 

A bond model for DEM simulation of cementitious materials and deformable structures

There is an increasing use of the discrete element method (DEM) to study cemented (e.g. concrete and rocks) and sintered particulate materials. The chief advantage of the DEM over continuum based techniques is that it does not make assumptions about how cracking and fragmentation initiate and propagate, since the DEM system is naturally discontinuous. The ability for the DEM to produce a realistic representation of a cemented granular material depends largely on the implementation of an inter-particle bonded contact model. This paper presents a new bonded contact model based on the Timoshenko beam theory which considers axial, shear and bending behaviour of the bond. The bond model was first verified by simulating both the bending and dynamic response of a simply supported beam. The loading response of a concrete cylinder was then investigated and compared with the Eurocode equation prediction. The results show significant potential for the new model to produce satisfactory predictions for cementitious materials. A unique feature of this model is that it can also be used to accurately represent many deformable structures such as frames and shells, so that both particles and structures or deformable boundaries can be described in the same DEM framework. 

A DEM study of silo discharge of a cohesive solid

Bulk handling of powders and granular solids is common in many industries and often gives rise to handling difficulties especially when the material exhibits complex cohesive behaviour. For example, high storage stresses in a silo can lead to high cohesive strength of the stored solid, which may in turn cause blockages such as ratholing or arching near the outlet during discharge. This paper presents a Discrete Element Method study of discharge of a granular solid with varying levels of cohesion from a flat-bottomed silo. The DEM simulations were conducted using the commercial EDEM code with a recently developed DEM contact model for cohesive solids implemented through an API. The contact model is based on an elasto-plastic contact with adhesion and uses hysteretic non-linear loading and unloading paths to model the elastic-plastic contact deformation. The adhesion parameter is a function of the maximum contact overlap. The model has been shown to be able to predict the stress history dependent behaviour depicted by a flow function of the material. The effects of cohesion on the discharge rate and flow pattern in the silo are investigated. The predicted discharge rates are compared for the varying levels of cohesion and the effect of adhesion is evaluated. The ability of the contact model to qualitatively predict the phenomena that are present in the discharge of a silo has been shown with the salient feature of mixed flow from a flat bottomed hopper identified in the simulation.

Development and Validation of a Procedure for Numerical Vibration Analysis of an Oscillating Wave Surge Converter

During extreme sea states so called impact events can be observed on the wave energy converter Oyster. In small scale experimental tests these impact events cause high frequency signals in the measured load which decrease confidence in the data obtained. These loads depend on the structural dynamics of the model. Amplification of the loads can occur and is transferred through the structure from the point of impact to the load cell located in the foundation. Since the determination of design data and load cases for Wave Energy Converters originate from scale experiments, this lack of confidence has a direct effect on the development.

Numerical vibration analysis is a valuable tool in the research of the structural load response of Oyster to impact events, but must take into account the effect of the surrounding water. This can be done efficiently by adding an added mass distribution, computed with a linearised potential boundary element method. This paper presents the development and validation of a numerical procedure, which couples the OpenSource boundary element code NEMOH with the Finite Element Analysis tool CodeAster. Numerical results of the natural frequencies and mode shapes of the structure under the influence of added mass due to specific structural modes are compared with experimental results.

Rocking behaviour of multi-block columns subjected to pulse-type ground motion accelerations

Ancient columns, made with a variety of materials such as marble, granite, stone or masonry are an important part of the
European cultural heritage. In particular columns of ancient temples in Greece and Sicily which support only the architrave are
characterized by small axial load values. This feature together with the slenderness typical of these structural members clearly
highlights as the evaluation of the rocking behaviour is a key aspect of their safety assessment and maintenance. It has to be noted
that the rocking response of rectangular cross-sectional columns modelled as monolithic rigid elements, has been widely investigated
since the first theoretical study carried out by Housner (1963). However, the assumption of monolithic member, although being
widely used and accepted for practical engineering applications, is not valid for more complex systems such as multi-block columns
made of stacked stone blocks, with or without mortar beds. In these cases, in fact, a correct analysis of the system should consider
rocking and sliding phenomena between the individual blocks of the structure. Due to the high non-linearity of the problem, the
evaluation of the dynamic behaviour of multi-block columns has been mostly studied in the literature using a numerical approach
such as the Discrete Element Method (DEM). This paper presents an introductory study about a proposed analytical-numerical
approach for analysing the rocking behaviour of multi-block columns subjected to a sine-pulse type ground motion. Based on the
approach proposed by Spanos (2001) for a system made of two rigid blocks, the Eulero-Lagrange method to obtain the motion
equations of the system is discussed and numerical applications are performed with case studies reported in the literature and with a
real acceleration record. The rocking response of single block and multi-block columns is compared and considerations are made
about the overturning conditions and on the effect of forcing function’s frequency.
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Sensores ópticos para monitorização dinâmica de estruturas

O presente trabalho centra-se no desenvolvimento e aplicação de sensores de aceleração ópticos, baseados em redes de Bragg gravadas em fibras ópticas, para monitorização da integridade estrutural de estruturas de engenharia civil. Foram implementados dois acelerómetros uniaxiais e um acelerómetro biaxial. Recorreu-se a uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos que permitiu optimizar, sem custos de produção, as características dos sensores, nomeadamente a sua frequência de ressonância. A caracterização dos sensores foi realizada em ambiente laboratorial e a sua resposta comparada com os resultados de simulação, de modo a validar os modelos numéricos. A aplicabilidade e demonstração de conceito foram realizadas na monitorização de estruturas com testes de campo. Foi monitorizado um teste destrutivo de uma parede de adobe, construída à escala real no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, onde foram utilizados sensores estáticos e dinâmicos baseados em redes de Bragg gravadas em fibra óptica. Foram realizadas medidas dinâmicas na ponte pedonal do Campus Universitário da Universidade de Aveiro, onde se compararam os resultados obtidos com os sensores ópticos com resultados de sensores electrónicos comerciais. O acelerómetro biaxial foi testado na monitorização de estruturas esbeltas, nomeadamente na monitorização de duas torres de telecomunicações móveis, onde se demonstrou a possibilidade da utilização de sensores ópticos na caracterização dinâmica deste tipo de estruturas. Outro tipo de estruturas de engenharia civil onde foi demonstrada a aplicabilidade dos sensores ópticos desenvolvidos na monitorização estrutural foram os reservatórios de água elevados. Foi realizada a monitorização dinâmica de um exemplo deste tipo de estruturas, localizado no Campus Universitário da Universidade de Aveiro. A monitorização foi realizada recorrendo ao sensor biaxial desenvolvido e a um sismógrafo, ficando o sensor óptico instalado na estrutura de modo a permitir futuras leituras e assim a monitorização periódica da estrutura. Foi ainda desenvolvido um sensor de humidade relativa do ar, com um material sol-gel, que permitiu registar o nível de humidade relativa no interior de blocos de betão, durante um ano. Este sensor pode ser incluído numa rede de sensores multiplexados, na caracterização e monitorização da integridade estrutural de certas estruturas de engenharia civil.

Blast-wave absorption capacity of sandwich structures incorporating cellular materials

A incorporação de materiais absorsores de energia (AE) em sistemas de protecção é uma clara possibilidade de melhoraria do seu desempenho, devido à elevada relação entre a sua resistência e o seu peso, e a excelente capacidade para absorverem energia quando solicitados dinamicamente. As propriedades mecânicas da cortiça (e.g. a baixa densidade e a elevada rigidez e resistência específicas) sugerem que este material — assim como os seus derivados — podem apresentar propriedades excelentes quando aplicados como núcleos em sistemas AE do tipo estrutura sanduíche. Esta dissertação engloba trabalho experimental e numérico. O primeiro conjunto de testes experimentais consistiu na caracterização experimental dinâmica (ondas de choque de explosivos) do comportamento de dois micra aglomerados de cortiça (MAC), NL20 e TB40. Um pendulo balístico de 4 cabos foi usado para a medição do impulso transmitido a uma amostra de MAC impactada por uma onda de choque com origem na detonação de um explosivo energético. Foi registado o movimento do pêndulo e os valores de força resultantes. Um modelo numérico do problema recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF) foi também desenvolvido, apresentando uma elevada correlação com a análise experimental, permitindo assim o desenvolvimento de um modelo constitutivo adequado à modelação do comportamento dinâmico dos MAC neste tipo de solicitações. Na segunda fase de testes experimentais, os MAC testados anteriormente são incorporados como núcleos em estruturas sanduíche com faces de alumínio (liga 5754-H22). Foram medidos os valores de defleção e o impulso transmitido ao pêndulo através do movimento oscilatório. São determinados os efeitos da densidade e da espessura dos núcleos na resposta estrutural do sistema. Também neste caso foi desenvolvido um modelo recorrendo ao MEF e posteriormente validado com resultados experimentais.

Metodologias de optimização topológica em cálculo estrutural

A optimização estrutural é uma temática antiga em engenharia. No entanto, com o crescimento do método dos elementos finitos em décadas recentes, dá origem a um crescente número de aplicações. A optimização topológica, especificamente, surge associada a uma fase de definição de domínio efectivo de um processo global de optimização estrutural. Com base neste tipo de optimização, é possível obter a distribuição óptima de material para diversas aplicações e solicitações. Os materiais compósitos e alguns materiais celulares, em particular, encontram-se entre os materiais mais proeminentes dos nossos dias, em termos das suas aplicações e de investigação e desenvolvimento. No entanto, a sua estrutura potencialmente complexa e natureza heterogénea acarretam grandes complexidades, tanto ao nível da previsão das suas propriedades constitutivas quanto na obtenção das distribuições óptimas de constituintes. Procedimentos de homogeneização podem fornecer algumas respostas em ambos os casos. Em particular, a homogeneização por expansão assimptótica pode ser utilizada para determinar propriedades termomecânicas efectivas e globais a partir de volumes representativos, de forma flexível e independente da distribuição de constituintes. Além disso, integra processos de localização e fornece informação detalhada acerca de sensibilidades locais em metodologias de optimização multiescala. A conjugação destas áreas pode conduzir a metodologias de optimização topológica multiescala, nas quais de procede à obtenção não só de estruturas óptimas mas também das distribuições ideais de materiais constituintes. Os problemas associados a estas abordagens tendem, no entanto, a exigir recursos computacionais assinaláveis, criando muitas vezes sérias limitações à exequibilidade da sua resolução. Neste sentido, técnicas de cálculo paralelo e distribuído apresentam-se como uma potencial solução. Ao dividir os problemas por diferentes unidades memória e de processamento, é possível abordar problemas que, de outra forma, seriam proibitivos. O principal foco deste trabalho centra-se na importância do desenvolvimento de procedimentos computacionais para as aplicações referidas. Adicionalmente, estas conduzem a diversas abordagens alternativas na procura simultânea de estruturas e materiais para responder a aplicações termomecânicas. Face ao exposto, tudo isto é integrado numa plataforma computacional de optimização multiobjectivo multiescala em termoelasticidade, desenvolvida e implementada ao longo deste trabalho. Adicionalmente, o trabalho é complementado com a montagem e configuração de um cluster do tipo Beowulf, assim como com o desenvolvimento do código com vista ao cálculo paralelo e distribuído.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Smart design of scaffolds obtained by biofabrication for tissue engineering applications

A engenharia de tecidos é um domínio tecnológico emergente em rápido desenvolvimento que se destina a produzir substitutos viáveis para a restauração, manutenção ou melhoria da função dos tecidos ou órgãos humanos. Uma das estratégias mais predominantes em engenharia de tecidos envolve crescimento celular sobre matrizes de suporte (scaffolds), biocompatíveis e biodegradáveis. Estas matrizes devem possuir não só elevadas propriedades mecânicas e vasculares, mas também uma elevada porosidade. Devido à incompatibilidade destes dois parâmetros, é necessário desenvolver estratégias de simulação de forma a obter estruturas optimizadas. A previsão real das propriedades mecânicas, vasculares e topológicas das matrizes de suporte, produzidas por técnicas de biofabricação, é muito importante para as diversas aplicações em engenharia de tecidos. A presente dissertação apresenta o estado da arte da engenharia de tecidos, bem como as técnicas de biofabricação envolvidas na produção de matrizes de suporte. Para o design optimizado de matrizes de suporte foi adoptada uma metodologia de design baseada tanto em métodos de elementos finitos para o cálculo do comportamento mecânico, vascular e as optimizações topológicas, como em métodos analíticos para a validação das simulações estruturais utilizando dados experimentais. Considerando que as matrizes de suporte são estruturas elementares do tipo LEGO, dois tipos de famílias foram consideradas, superfícies não periódicas e as superfícies triplas periódicas que descrevem superfícies naturais. Os objectivos principais desta dissertação são: i) avaliar as técnicas existentes de engenharia de tecidos; ii) avaliar as técnicas existentes de biofabricação para a produção de matrizes de suporte; iii) avaliar o desempenho e comportamento das matrizes de suporte; iv) implementar uma metodologia de design de matrizes de suporte em variáveis tais como a porosidade, geometria e comportamento mecânico e vascular por forma a auxiliar o processo de design; e por fim, v) validar experimentalmente a metodologia adoptada.

Optical and mechanical analysis on a biological cell in optical tweezers

La réponse mécanique d’une cellule à une force externe permet d’inférer sa structure et fonction. Les pinces optiques s’avèrent une approche particulièrement attrayante pour la manipulation et caractérisation biophysique sophistiquée des cellules de façon non invasive. Cette thèse explore l’utilisation de trois types de pinces optiques couramment utilisées : 1) statiques (static), 2) à exposition partagée (time-sharing) et 3) oscillantes (oscillating). L’utilisation d’un code basé sur la méthode des éléments finis en trois dimensions (3DFEM) nous permet de modéliser ces trois types de piégeage optique afin d’extraire les propriétés mécaniques cellulaires à partir des expériences. La combinaison des pinces optiques avec la mécanique des cellules requiert des compétences interdisciplinaires. Une revue des approches expérimentales sur le piégeage optique et les tests unicellulaires est présentée. Les bases théoriques liant l’interaction entre la force radiative optique et la réponse mécanique de la cellule aussi. Pour la première fois, une simulation adaptée (3DFEM) incluant la diffusion lumineuse et la distribution du stress radiatif permet de prédire la déformation d’une cellule biconcave –analogue aux globules rouges—dans un piège statique double (static dual-trap). À l’équilibre, on observe que la déformation finale est donnée par l’espacement entre les deux faisceaux lasers: la cellule peut être étirée ou même comprimée. L’exposition partagée (time-sharing) est la technique qui permet de maintenir plusieurs sites de piégeage simultanément à partir du même faisceau laser. Notre analyse quantitative montre que, même oscillantes, la force optique et la déformation sont omniprésentes dans la cellule : la déformation viscoélastique et la dissipation de l’énergie sont analysées. Une autre cellule-type, la tige cubique, est étudiée : cela nous permet d’élucider de nouvelles propriétés sur la symétrie de la réponse mécanique. Enfin, l’analyse de la déformation résolue en temps dans un piége statique ou à exposition partagée montre que la déformation dépend simultanément de la viscoélasticité, la force externe et sa forme tridimensionnelle. La technique à force oscillante (oscillating tweezers) montre toutefois un décalage temporel, entre la force et la déformation, indépendant de la forme 3D; cette approche donnerait directement accès au tenseur viscoélastique complexe de la cellule.

Simulation of the magnetic induction vector of a magnetic core to be used in FFC NMR relaxometry

This paper is a contribution for the assessment and comparison of magnet properties based on magnetic field characteristics particularly concerning the magnetic induction uniformity in the air gaps. For this aim, a solver was developed and implemented to determine the magnetic field of a magnetic core to be used in Fast Field Cycling (FFC) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry. The electromagnetic field computation is based on a 2D finite-element method (FEM) using both the scalar and the vector potential formulation. Results for the magnetic field lines and the magnetic induction vector in the air gap are presented. The target magnetic induction is 0.2 T, which is a typical requirement of the FFC NMR technique, which can be achieved with a magnetic core based on permanent magnets or coils. In addition, this application requires high magnetic induction uniformity. To achieve this goal, a solution including superconducting pieces is analyzed. Results are compared with a different FEM program.

Modelação e monitorização do comportamento dinâmico de barragens abóbada: identificação modal automática

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório de Engenharia Civil (LNEC) para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo de cooperação entre o ISEL e o LNEC