A Variational Calculation of TE and TM Cutoff Wavenumbers in Circular Eccentric Guides by Conformal Mapping

The cutoff wavenumbers of higher order modes in circular eccentric guides are computed with the variational analysis combined with a conformal mapping. A conformal mapping is applied to the variational formulation, and the variational equation is solved by the finite-element method. Numerical results for TE and TM cutoff wavenumbers are presented for different distances between the centers and ratio of the radii. Comparisons with numerical results found in the literature validate the presented method

Development and Analysis of a Novel Isosceles Trapezoidal Dielectric Resonator Antenna For Wireless Communication

This thesis describes the development and analysis of an Isosceles Trapezoidal Dielectric Resonator Antenna (ITDRA) by realizing different DR orientations with suitable feed configurations enabling it to be used as multiband, dual band dual polarized and wideband applications. The motivation for this work has been inspired by the need for compact, high efficient, low cost antenna suitable for multi band application, dual band dual polarized operation and broadband operation with the possibility of using with MICs, and to ensure less expensive, more efficient and quality wireless communication systems. To satisfy these challenging demands a novel shaped Dielectric Resonator (DR) is fabricated and investigated for the possibility of above required properties by trying out different orientations of the DR on a simple microstrip feed and with slotted ground plane as well. The thesis initially discusses and evaluates recent and past developments taken place within the microwave industry on this topic through a concise review of literature. Then the theoretical aspects of DRA and different feeding techniques are described. Following this, fabrication and characterization of DRA is explained. To achieve the desired requirements as above both simulations and experimental measurements were undertaken. A 3-D finite element method (FEM) electromagnetic simulation tool, HFSSTM by Agilent, is used to determine the optimum geometry of the dielectric resonator. It was found to be useful in producing approximate results although it had some limitations. A numerical analysis technique, finite difference time domain (FDTD) is used for validating the results of wide band design at the end. MATLAB is used for modeling the ITDR and implementing FDTD analysis. In conclusion this work offers a new, efficient and relatively simple alternative for antennas to be used for multiple requirements in the wireless communication system.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Modelització numèrica d’un sistema de descàrrega d’una columna de la catedral d Girona mitjançant el mètode dels elements finits (anàlisi no lineal)

Aquest projecte consisteix en aplicar el càlcul no lineal en la modelització volumètrica numèrica de l’estructura del sistema de descàrrega d’una columna del claustre de la catedral de Girona mitjançant el mètode dels elements finits. A la Universitat de Girona s’ha fet diferents estudis del claustre de la catedral de Girona però sempre simulant un comportament lineal de les característiques dels materials. El programa utilitzat és la versió docent del programa ANSYS disponible al Dept. d’EMCI i l’element emprat ha sigut el SOLID65. Aquest element permet introduir característiques de no linealitat en els models i és adequat per a anàlisi no lineal d’elements com la pedra de Girona

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisi paramètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Càlcul, disseny i fabricació d'una carrosseria autoportant en material compòsit per al vehicle de baix consum Àliga

El projecte és l’inici de la creació d’un nou prototip per a poder competir la temporada 2008 a la cursa de vehicles de baix consum Shell Eco-Marathon. El principal objectiu és aconseguir un xassís que redueixi, en la mesura del possible, el pes del prototip a la vegada que asseguri una millor rigidesa i millori l’ergonomia de tot el conjunt. Es dissenyarà tota la part estructural de la carrosseria, que serà sotmesa a càlcul mitjançant la tècnica dels elements finits i posteriorment es realitzarà una guia de producció per tal de guiar els membres de l’equip que en realitzin la producció

Variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions: testing & analysis

La majoria de les fallades en elements estructurals són degudes a càrrega per fatiga. En conseqüència, la fatiga mecànica és un factor clau per al disseny d'elements mecànics. En el cas de materials compòsits laminats, el procés de fallada per fatiga inclou diferents mecanismes de dany que resulten en la degradació del material. Un dels mecanismes de dany més importants és la delaminació entre capes del laminat. En el cas de components aeronàutics, les plaques de composit estan exposades a impactes i les delaminacions apareixen facilment en un laminat després d'un impacte. Molts components fets de compòsit tenen formes corbes, superposició de capes i capes amb diferents orientacions que fan que la delaminació es propagui en un mode mixt que depen de la grandària de la delaminació. És a dir, les delaminacions generalment es propaguen en mode mixt variable. És per això que és important desenvolupar nous mètodes per caracteritzar el creixement subcrític en mode mixt per fatiga de les delaminacions. El principal objectiu d'aquest treball és la caracterització del creixement en mode mixt variable de les delaminacions en compòsits laminats per efecte de càrregues a fatiga. Amb aquest fi, es proposa un nou model per al creixement per fatiga de la delaminació en mode mixt. Contràriament als models ja existents, el model que es proposa es formula d'acord a la variació no-monotònica dels paràmetres de propagació amb el mode mixt observada en diferents resultats experimentals. A més, es du a terme un anàlisi de l'assaig mixed-mode end load split (MMELS), la característica més important del qual és la variació del mode mixt a mesura que la delaminació creix. Per a aquest anàlisi, es tenen em compte dos mètodes teòrics presents en la literatura. No obstant, les expressions resultants per l'assaig MMELS no són equivalents i les diferències entre els dos mètodes poden ser importants, fins a 50 vegades. Per aquest motiu, en aquest treball es porta a terme un anàlisi alternatiu més acurat del MMELS per tal d'establir una comparació. Aquest anàlisi alternatiu es basa en el mètode dels elements finits i virtual crack closure technique (VCCT). D'aquest anàlisi en resulten importants aspectes a considerar per a la bona caracterització de materials utilitzant l'assaig MMELS. Durant l'estudi s'ha dissenyat i construït un utillatge per l'assaig MMELS. Per a la caracterització experimental de la propagació per fatiga de delaminacions en mode mixt variable s'utilitzen diferents provetes de laminats carboni/epoxy essencialment unidireccionals. També es du a terme un anàlisi fractogràfic d'algunes de les superfícies de fractura per delaminació. Els resultats experimentals són comparats amb les prediccions del model proposat per la propagació per fatiga d'esquerdes interlaminars.

The influence of viscous and latent heating on crystal-rich magma flow in a conduit

The flow dynamics of crystal-rich high-viscosity magma is likely to be strongly influenced by viscous and latent heat release. Viscous heating is observed to play an important role in the dynamics of fluids with temperature-dependent viscosities. The growth of microlite crystals and the accompanying release of latent heat should play a similar role in raising fluid temperatures. Earlier models of viscous heating in magmas have shown the potential for unstable (thermal runaway) flow as described by a Gruntfest number, using an Arrhenius temperature dependence for the viscosity, but have not considered crystal growth or latent heating. We present a theoretical model for magma flow in an axisymmetric conduit and consider both heating effects using Finite Element Method techniques. We consider a constant mass flux in a 1-D infinitesimal conduit segment with isothermal and adiabatic boundary conditions and Newtonian and non-Newtonian magma flow properties. We find that the growth of crystals acts to stabilize the flow field and make the magma less likely to experience a thermal runaway. The additional heating influences crystal growth and can counteract supercooling from degassing-induced crystallization and drive the residual melt composition back towards the liquidus temperature. We illustrate the models with results generated using parameters appropriate for the andesite lava dome-forming eruption at Soufriere Hills Volcano, Montserrat. These results emphasize the radial variability of the magma. Both viscous and latent heating effects are shown to be capable of playing a significant role in the eruption dynamics of Soufriere Hills Volcano. Latent heating is a factor in the top two kilometres of the conduit and may be responsible for relatively short-term (days) transients. Viscous heating is less restricted spatially, but because thermal runaway requires periods of hundreds of days to be achieved, the process is likely to be interrupted. Our models show that thermal evolution of the conduit walls could lead to an increase in the effective diameter of flow and an increase in flux at constant magma pressure.

Consistent Dirichlet Boundary Conditions for Numerical Solution of Moving Boundary Problems

We consider the imposition of Dirichlet boundary conditions in the finite element modelling of moving boundary problems in one and two dimensions for which the total mass is prescribed. A modification of the standard linear finite element test space allows the boundary conditions to be imposed strongly whilst simultaneously conserving a discrete mass. The validity of the technique is assessed for a specific moving mesh finite element method, although the approach is more general. Numerical comparisons are carried out for mass-conserving solutions of the porous medium equation with Dirichlet boundary conditions and for a moving boundary problem with a source term and time-varying mass.

Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: Quantitative explanations for some longstanding problems

The assumption that negligible work is involved in the formation of new surfaces in the machining of ductile metals, is re-examined in the light of both current Finite Element Method (FEM) simulations of cutting and modern ductile fracture mechanics. The work associated with separation criteria in FEM models is shown to be in the kJ/m2 range rather than the few J/m2 of the surface energy (surface tension) employed by Shaw in his pioneering study of 1954 following which consideration of surface work has been omitted from analyses of metal cutting. The much greater values of surface specific work are not surprising in terms of ductile fracture mechanics where kJ/m2 values of fracture toughness are typical of the ductile metals involved in machining studies. This paper shows that when even the simple Ernst–Merchant analysis is generalised to include significant surface work, many of the experimental observations for which traditional ‘plasticity and friction only’ analyses seem to have no quantitative explanation, are now given meaning. In particular, the primary shear plane angle φ becomes material-dependent. The experimental increase of φ up to a saturated level, as the uncut chip thickness is increased, is predicted. The positive intercepts found in plots of cutting force vs. depth of cut, and in plots of force resolved along the primary shear plane vs. area of shear plane, are shown to be measures of the specific surface work. It is demonstrated that neglect of these intercepts in cutting analyses is the reason why anomalously high values of shear yield stress are derived at those very small uncut chip thicknesses at which the so-called size effect becomes evident. The material toughness/strength ratio, combined with the depth of cut to form a non-dimensional parameter, is shown to control ductile cutting mechanics. The toughness/strength ratio of a given material will change with rate, temperature, and thermomechanical treatment and the influence of such changes, together with changes in depth of cut, on the character of machining is discussed. Strength or hardness alone is insufficient to describe machining. The failure of the Ernst–Merchant theory seems less to do with problems of uniqueness and the validity of minimum work, and more to do with the problem not being properly posed. The new analysis compares favourably and consistently with the wide body of experimental results available in the literature. Why considerable progress in the understanding of metal cutting has been achieved without reference to significant surface work is also discussed.

Toughness & oblique metalcutting

The implications of whether new surfaces in cutting are formed just by plastic flow past the tool or by some fracturelike separation process involving significant surface work, are discussed. Oblique metalcutting is investigated using the ideas contained in a new algebraic model for the orthogonal machining of metals (Atkins, A. G., 2003, "Modeling Metalcutting Using Modern Ductile Fracture Mechanics: Quantitative Explanations for Some Longstanding Problems," Int. J. Mech. Sci., 45, pp. 373–396) in which significant surface work (ductile fracture toughnesses) is incorporated. The model is able to predict explicit material-dependent primary shear plane angles and provides explanations for a variety of well-known effects in cutting, such as the reduction of at small uncut chip thicknesses; the quasilinear plots of cutting force versus depth of cut; the existence of a positive force intercept in such plots; why, in the size-effect regime of machining, anomalously high values of yield stress are determined; and why finite element method simulations of cutting have to employ a "separation criterion" at the tool tip. Predictions from the new analysis for oblique cutting (including an investigation of Stabler's rule for the relation between the chip flow velocity angle C and the angle of blade inclination i) compare consistently and favorably with experimental results.

Velocity-based moving mesh methods for nonlinear partial differential equations

This article describes a number of velocity-based moving mesh numerical methods formultidimensional nonlinear time-dependent partial differential equations (PDEs). It consists of a short historical review followed by a detailed description of a recently developed multidimensional moving mesh finite element method based on conservation. Finite element algorithms are derived for both mass-conserving and non mass-conserving problems, and results shown for a number of multidimensional nonlinear test problems, including the second order porous medium equation and the fourth order thin film equation as well as a two-phase problem. Further applications and extensions are referenced.

Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling

In this paper, numerical analyses of the thermal performance of an indirect evaporative air cooler incorporating a M-cycle cross-flow heat exchanger has been carried out. The numerical model was established from solving the coupled governing equations for heat and mass transfer between the product and working air, using the finite-element method. The model was developed using the EES (Engineering Equation Solver) environment and validated by published experimental data. Correlation between the cooling (wet-bulb) effectiveness, system COP and a number of air flow/exchanger parameters was developed. It is found that lower channel air velocity, lower inlet air relative humidity, and higher working-to-product air ratio yielded higher cooling effectiveness. The recommended average air velocities in dry and wet channels should not be greater than 1.77 m/s and 0.7 m/s, respectively. The optimum flow ratio of working-to-product air for this cooler is 50%. The channel geometric sizes, i.e. channel length and height, also impose significant impact to system performance. Longer channel length and smaller channel height contribute to increase of the system cooling effectiveness but lead to reduced system COP. The recommend channel height is 4 mm and the dimensionless channel length, i.e., ratio of the channel length to height, should be in the range 100 to 300. Numerical study results indicated that this new type of M-cycle heat and mass exchanger can achieve 16.7% higher cooling effectiveness compared with the conventional cross-flow heat and mass exchanger for the indirect evaporative cooler. The model of this kind is new and not yet reported in literatures. The results of the study help with design and performance analyses of such a new type of indirect evaporative air cooler, and in further, help increasing market rating of the technology within building air conditioning sector, which is currently dominated by the conventional compression refrigeration technology.

An unstructured CVFEM and moving interface algorithm for non-Newtonian Hele-Shaw flows in injection molding

Purpose - The purpose of this paper is to develop a novel unstructured simulation approach for injection molding processes described by the Hele-Shaw model. Design/methodology/approach - The scheme involves dual dynamic meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset. The quasi-static pressure solution in each timestep for this evolving unstructured mesh system is approximated using a control volume finite element method formulation coupled to a corresponding modified volume of fluid method. The flow is considered to be isothermal and non-Newtonian. Findings - Supporting numerical tests and performance studies for polystyrene described by Carreau, Cross, Ellis and Power-law fluid models are conducted. Results for the present method are shown to be comparable to those from other methods for both Newtonian fluid and polystyrene fluid injected in different mold geometries. Research limitations/implications - With respect to the methodology, the background pointset infers a mesh that is dynamically reconstructed here, and there are a number of efficiency issues and improvements that would be relevant to industrial applications. For instance, one can use the pointset to construct special bases and invoke a so-called ""meshless"" scheme using the basis. This would require some interesting strategies to deal with the dynamic point enrichment of the moving front that could benefit from the present front treatment strategy. There are also issues related to mass conservation and fill-time errors that might be addressed by introducing suitable projections. The general question of ""rate of convergence"" of these schemes requires analysis. Numerical results here suggest first-order accuracy and are consistent with the approximations made, but theoretical results are not available yet for these methods. Originality/value - This novel unstructured simulation approach involves dual meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset: local active dual patches are constructed ""on-the-fly"" for each ""active point"" to form a dynamic virtual mesh of active elements that evolves with the moving interface.