On the application of meshfree methods to the nonlinear dynamics of multibody systems

Esta tesis propone una completa formulaci��n termo-mec��nica para la simulaci��n no-lineal de mecanismos flexibles basada en m��todos libres de malla. El enfoque se basa en tres pilares principales: la formulaci��n de Lagrangiano total para medios continuos, la discretizaci��n de Bubnov-Galerkin, y las funciones de forma libres de malla. Los m��todos sin malla se caracterizan por la definici��n de un conjunto de funciones de forma en dominios solapados, junto con una malla de integraci��n de las ecuaciones discretas de balance. Dos tipos de funciones de forma se han seleccionado como representaci��n de las familias interpolantes (Funciones de Base Radial) y aproximantes (M��nimos Cuadrados M��viles). Su formulaci��n se ha adaptado haciendo sus par��metros compatibles, y su ausencia de conectividad predefinida se ha aprovechado para interconectar m��ltiples dominios de manera autom��tica, permitiendo el uso de mallas de fondo no conformes. Se propone una formulaci��n generalizada de restricciones, juntas y contactos, v��lida para s��lidos r��gidos y flexibles, siendo estos ��ltimos discretizados mediante elementos finitos (MEF) o libres de malla. La mayor ventaja de este enfoque reside en que independiza completamente el dominio con respecto de las uniones y acciones externas a cada s��lido, permitiendo su definici��n incluso fuera del contorno. Al mismo tiempo, tambi��n se minimiza el n��mero de ecuaciones de restricci��n necesarias para la definici��n de uniones realistas. Las diversas validaciones, ejemplos y comparaciones detalladas muestran como el enfoque propuesto es gen��rico y extensible a un gran n��mero de sistemas. En concreto, las comparaciones con el MEF indican una importante reducci��n del error para igual n��mero de nodos, tanto en simulaciones mec��nicas, como t��rmicas y termo-mec��nicas acopladas. A igualdad de error, la eficiencia num��rica de los m��todos libres de malla es mayor que la del MEF cuanto m��s grosera es la discretizaci��n. Finalmente, la formulaci��n se aplica a un problema de dise��o real sobre el mantenimiento de estructuras masivas en el interior de un reactor de fusi��n, demostrando su viabilidad en an��lisis de problemas reales, y a su vez mostrando su potencial para su uso en simulaci��n en tiempo real de sistemas no-lineales. A new complete formulation is proposed for the simulation of nonlinear dynamic of multibody systems with thermo-mechanical behaviour. The approach is founded in three main pillars: total Lagrangian formulation, Bubnov-Galerkin discretization, and meshfree shape functions. Meshfree methods are characterized by the definition of a set of shape functions in overlapping domains, and a background grid for integration of the Galerkin discrete equations. Two different types of shape functions have been chosen as representatives of interpolation (Radial Basis Functions), and approximation (Moving Least Squares) families. Their formulation has been adapted to use compatible parameters, and their lack of predefined connectivity is used to interconnect different domains seamlessly, allowing the use of non-conforming meshes. A generalized formulation for constraints, joints, and contacts is proposed, which is valid for rigid and flexible solids, being the later discretized using either finite elements (FEM) or meshfree methods. The greatest advantage of this approach is that makes the domain completely independent of the external links and actions, allowing to even define them outside of the boundary. At the same time, the number of constraint equations needed for defining realistic joints is minimized. Validation, examples, and benchmarks are provided for the proposed formulation, demonstrating that the approach is generic and extensible to further problems. Comparisons with FEM show a much lower error for the same number of nodes, both for mechanical and thermal analyses. The numerical efficiency is also better when coarse discretizations are used. A final demonstration to a real problem for handling massive structures inside of a fusion reactor is presented. It demonstrates that the application of meshfree methods is feasible and can provide an advantage towards the definition of nonlinear real-time simulation models.

A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada d��a m��s comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos espec��ficamente a esta clase de sistemas es m��s necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurr��a hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnol��gicos en el campo de los microprocesadores de los ��ltimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones m��s que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una ��nica m��quina. Adem��s, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones econ��micas. Estos sistemas software se dise��an e implementan de acuerdo con unos est��ndares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria tambi��n la certificaci��n del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicaci��n m��s cr��tica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualizaci��n se ha postulado como una tecnolog��a muy interesante para contener esos costes. Esta tecnolog��a permite que un conjunto de m��quinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partici��n pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las caracter��sticas de la partici��n donde su aplicaci��n va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporaci��n de una nueva partici��n a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnolog��a actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha dise��ado e implementado un entorno dirigido espec��ficamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema autom��ticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Adem��s, el dise��o del entorno de desarrollo se ha basado en la ingenier��a guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. As�� pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, as�� como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcci��n y despliegue del mismo. Adem��s, en el dise��o del entorno de desarrollo, la extensi��n e integraci��n del mismo con herramientas de validaci��n ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generaci��n de nuevos artefactos tales como documentaci��n o diferentes lenguajes de programaci��n, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha dise��ado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones as�� como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplir��n en el sistema particionado que resulte de su ejecuci��n. Las restricciones al particionado se han dise��ado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un peque��o grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales m��s comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas autom��ticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicaci��n. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecuci��n y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partici��n define qu�� aplicaciones deben ejecutar en ella as�� como los recursos que necesita la partici��n para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matem��ticamente a trav��s de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los v��rtices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha dise��ado tambi��n para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con ��xito en dos casos de uso industriales: el sat��lite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina e��lica. Adem��s, el algoritmo se ha validado mediante la ejecuci��n de numerosos escenarios sint��ticos, incluyendo algunos muy complejos, de m��s de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

An��lisis param��trico determinista y aleatorio de problemas din��micos en estructuras aeroespaciales

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

An��lisis CFD de un ��labe del ��ltimo paso de una turbina de vapor

El presente proyecto consiste en el estudio detallado de las solicitaciones mec��nicas a las que se encuentra sometido un ��labe correspondiente a la secci��n de baja presi��n de una turbina de vapor. Primeramente se llevar�� a cabo una introducci��n a este tipo de turbom��quinas con el fin de definir conceptos relevantes como el grado de reacci��n o el tri��ngulo de velocidades, necesarios para comprender el funcionamiento de estas m��quinas. A medida que se avance en la explicaci��n de los fundamentos te��ricos de la turbina de vapor, se ir�� profundizando cada vez m��s hasta llegar a la corona de ��labes del rotor. Aqu�� se describir��n las fuerzas de distinta naturaleza que soportan los ��labes en condiciones de trabajo, as�� como el principio de formaci��n de humedad que ocurre en los ��ltimos escalonamientos de la etapa de baja presi��n. Una vez revisados todos los conceptos te��ricos de inter��s, se pasar�� a simular con ayuda de un programa de Elementos Finitos la distribuci��n de velocidades y de presi��n del flujo de vapor a su paso por un ��labe de la ��ltima corona del rotor. El objetivo que se persigue es cuantificar tanto las tensiones mec��nicas como los desplazamientos por deformaci��n a los que se encuentra sometido el ��labe debido a la interacci��n con el fluido a elevada velocidad. Posteriormente, como ampliaci��n a este modelo, se ha tenido en cuenta el efecto de los condensados (peque��as gotas de agua) que se forman en los ��ltimos escalonamientos de la turbina debido a grandes subenfriamientos locales del vapor. Estas gotas impactan sobre el lado de succi��n del perfil del ��labe, por tanto su contribuci��n a los valores de tensi��n y desplazamiento que experimenta el ��labe tambi��n ser�� cuantificada en el programa de Elementos Finitos. Por ��ltimo, se har�� una recopilaci��n de las principales conclusiones obtenidas tras el modelo simulado por ordenador, as�� como de la importancia de la calidad del vapor para el buen funcionamiento de la turbom��quina.

Criterios de dimensionamiento en estado l��mite de servicio de tableros de puentes con sistema de atirantamiento extradosado

Los criterios de dimensionamiento en tableros de hormig��n pretensado est��n claramente establecidos para sistemas de pretensado convencional adherente o no, interior o exterior a la losa del tablero as�� como para sistemas de atirantamiento convencionales. Pero no para sistemas de atirantamiento no convencional como los puentes de atirantamiento extradosado. Con la realizaci��n de este trabajo, se pretende llegar a unos criterios de dimensionamiento en Estado L��mite de Servicio (ELS), analizando los criterios de dimensionamiento ya existentes en sistemas de atirantamiento convencional, estableciendo las bases para su generalizaci��n al sistema de atirantamiento extradosado. El desarrollo del presente proyecto comenzar�� con una breve introducci��n sobre los sistemas estructurales con cables y tirantes, explicando sus caracter��sticas y comportamientos estructurales y dar�� paso al desarrollo del proyecto, utilizando para dicho estudio la modelizaci��n de un puente atirantado y otro dos extradosados, uno cuyos tirantes soportar��n el 100% de la carga permanente mientras que en el otro soportar��n el 60%. Se ha utilizado el programa de elementos finitos SAP 2000 v.17 para su modelaci��n. Para llegar al dimensionamiento ��ptimo del puente extradosado, se han llevado a cabo diferentes c��lculos para el predimensionamiento del pretensado, el efecto de la fluencia y el dimensionamiento final del pretensado. Llegando finalmente al coste que supondr��a el acero de cada una de las tipolog��as estudiadas.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnolog��a de las m��quinas m��viles aut��nomas ha sido objeto de una gran investigaci��n y desarrollo en las ��ltimas d��cadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploraci��n planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los cient��ficos. La reciente exploraci��n de Marte con robots aut��nomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnolog��as. Desde la invenci��n de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los veh��culos para exploraci��n planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo dise��o de un robot con patas o maquina andante que ofrecer�� claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirti��ndolo en una elecci��n perfecta para misiones planetarias. Se presenta una rese��a hist��rica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploraci��n planetaria. A trav��s de este estudio ser�� posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El dise��o propuesto de robot con patas ser�� presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opci��n. En esta tesis se presenta el dise��o mec��nico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el dise��o mec��nico es necesario realizar un an��lisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot ser��n validadas por dos m��todos: cinem��tico y din��mico. Dos c��digos Matlab�� han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer m��todo, un modelo de elementos finitos, que tambi��n verifica el dise��o mec��nico. El robot con patas presentado, ha sido dise��ado para la exploraci��n planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos ser�� probado mediante un c��digo de Matlab��, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el n��mero y altura de los obst��culos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que est��n basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiolog��a (INTA-CSIC), esta basado en el dise��o mec��nico y an��lisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab�� codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab�� code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los ��ltimos a��os, y asociado al desarrollo de la tecnolog��a MEMS, la t��cnica de indentaci��n instrumentada se ha convertido en un m��todo de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las caracter��sticas el��stico-pl��sticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macrosc��pica a la microsc��pica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentaci��n, es urgente proponer un m��todo m��s simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento anal��tico para extraer las propiedades el��stico-pl��sticas del material mediante la t��cnica de indentaci��n instrumentada. La primera parte se centra en la metodolog��a llevada a cabo para medir las propiedades el��sticas de los materiales el��sticos, present��ndose una nueva metodolog��a de indentaci��n, basada en la evoluci��n de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentaci��n. El m��todo propuesto permite discriminar los valores de indentaci��n experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Adem��s, esta t��cnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo el��stico. La segunda parte se centra en el proceso anal��tico para determinar la curva tensi��n-deformaci��n a partir del ensayo de indentaci��n, empleando un indentador esf��rico. Para poder asemejar la curva tension-deformaci��n de indentaci��n con la que se obtendr��a de un ensayo de tracci��n, Tabor determin�� emp��ricamente un factor de constricci��n de la tensi��n (���) y un factor de constricci��n de la deformaci��n (���). Sin embargo, la elecci��n del valor de ������y ��� necesitan una derivaci��n anal��tica. Se describi�� anal��ticamente una nueva visi��n de la relaci��n entre los factores de constricci��n de tensi��n y la deformaci��n basado en la deducci��n de la ecuaci��n de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un dise��o experimental se realizan para evaluar estos factores de constricci��n. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformaci��n extraidas de los ensayos de indentaci��n esf��rica, afectadas por los correspondientes factores de constricci��n de tension y deformaci��n, se ajustaron a la curva nominal tensi��n-deformaci��n obtenida de ensayos de tracci��n convencionales. En la ��ltima parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleaci��n de acero mediante un l��ser. Las propiedades mec��nicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la t��cnica de indentaci��n instrumentada, haciendo uso de las metodolog��as propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), ������and strain constraint factor (strain CF), ������empirically but the choice of a value for ������and ������is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor���s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor���s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.

A time-domain finite element method for seakeeping and wave resistance problems

El objetivo de la tesis es la investigaci��n de algoritmos num��ricos para el desarrollo de herramientas num��ricas para la simulaci��n de problemas tanto de comportamiento en la mar como de resistencia al avance de buques y estructuras flotantes. La primera herramienta desarrollada resuelve el problema de difracci��n y radiaci��n de olas. Se basan en el m��todo de los elementos finitos (MEF) para la resoluci��n de la ecuaci��n de Laplace, as�� como en esquemas basados en MEF, integraci��n a lo largo de l��neas de corriente, y en diferencias finitas desarrollados para la condici��n de superficie libre. Se han desarrollado herramientas num��ricas para la resoluci��n de la din��mica de s��lido r��gido en sistemas multicuerpos con ligaduras. Estas herramientas han sido integradas junto con la herramienta de resoluci��n de olas difractadas y radiadas para la resoluci��n de problemas de interacci��n de cuerpos con olas. Tambi��n se han dise��ado algoritmos de acoplamientos con otras herramientas num��ricas para la resoluci��n de problemas multif��sica. En particular, se han realizado acoplamientos con una herramienta num��rica basada de c��lculo de estructuras con MEF para problemas de interacci��n fluido-estructura, otra de c��lculo de l��neas de fondeo, y con una herramienta num��rica de c��lculo de flujos en tanques internos para problemas acoplados de comportamiento en la mar con ���sloshing���. Se han realizado simulaciones num��ricas para la validaci��n y verificaci��n de los algoritmos desarrollados, as�� como para el an��lisis de diferentes casos de estudio con aplicaciones diversas en los campos de la ingenier��a naval, oce��nica, y energ��as renovables marinas. ABSTRACT The objective of this thesis is the research on numerical algorithms to develop numerical tools to simulate seakeeping problems as well as wave resistance problems of ships and floating structures. The first tool developed is a wave diffraction-radiation solver. It is based on the finite element method (FEM) in order to solve the Laplace equation, as well as numerical schemes based on FEM, streamline integration, and finite difference method tailored for solving the free surface boundary condition. It has been developed numerical tools to solve solid body dynamics of multibody systems with body links across them. This tool has been integrated with the wave diffraction-radiation solver to solve wave-body interaction problems. Also it has been tailored coupling algorithms with other numerical tools in order to solve multi-physics problems. In particular, it has been performed coupling with a MEF structural solver to solve fluid-structure interaction problems, with a mooring solver, and with a solver capable of simulating internal flows in tanks to solve couple seakeeping-sloshing problems. Numerical simulations have been carried out to validate and verify the developed algorithms, as well as to analyze case studies in the areas of marine engineering, offshore engineering, and offshore renewable energy.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos m��todos de s��ntesis de diagramas de radiaci��n de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de m��todos de s��ntesis de diagramas de radiaci��n de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterizaci��n electromagn��tica rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterizaci��n no se realiza habitualmente en la gran mayor��a de m��todos de s��ntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiaci��n de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que ��nicamente tiene en cuenta la posici��n de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrar�� en esta tesis, en m��ltiples ocasiones un riguroso an��lisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un m��todo de an��lisis electromagn��tico con un proceso de s��ntesis de diagramas de radiaci��n. Los m��todos de an��lisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en t��rminos de longitudes de onda. Generalmente, un dise��o de un problema electromagn��tico suele comprender varios an��lisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las caracter��sticas, lo que hace este proceso muy costoso. Dos m��todos se utilizan en esta tesis para el an��lisis de los arrays acoplados. Ambos est��n basados en el m��todo de los elementos finitos, la descomposici��n de dominio y el an��lisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigaci��n donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una t��cnica de an��lisis de arrays finitos basado en la aproximaci��n de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansi��n en modos esf��ricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este m��todo calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslaci��n y rotaci��n de los modos esf��ricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas t��cnicas utilizan una formulaci��n matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de dise��o, como los m��todos de s��ntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas t��cnicas de s��ntesis, que incluyen m��todos rigurosos de an��lisis, son consecuentemente m��s precisos. La s��ntesis de arrays consiste en modificar uno o varios par��metros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las caracter��sticas de radiaci��n. Los par��metros utilizados como variables de optimizaci��n pueden ser varios. Los m��s utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero tambi��n es posible modificar otros par��metros de dise��o como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las s��ntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada direcci��n o conformar el haz con formas arbitrarias. Adem��s, es posible minimizar el nivel de los l��bulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El m��todo para el an��lisis de arrays finitos basado en la aproximaci��n de array infinito considera un array finito como un array infinito con un n��mero finito de elementos excitados. Los elementos no excitados est��n f��sicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simular�� mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este m��todo de an��lisis se integra en la tesis con dos m��todos diferentes de s��ntesis de diagramas de radiaci��n. En el primero de ellos se presenta un m��todo basado en programaci��n lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la direcci��n deseada, adem��s de ejercer un control sobre los l��bulos secundarios o imponer nulos. Este m��todo es muy eficiente y obtiene soluciones ��ptimas. El mismo m��todo de an��lisis es tambi��n aplicado a un m��todo de conformaci��n de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de dif��cil soluci��n) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetr��a, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este m��todo es posible dise��ar diagramas de radiaci��n con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del l��bulo principal, as�� como en el nivel de los l��bulos secundarios. El m��todo de an��lisis de arrays basado en la expansi��n en modos esf��ricos se integra en la tesis con tres t��cnicas de s��ntesis de diagramas de radiaci��n. Se propone inicialmente una s��ntesis de conformaci��n del haz basado en el m��todo de la recuperaci��n de fase resuelta de forma iterativa mediante m��todos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las ��ptimas de manera eficiente. Dos m��todos de s��ntesis se han propuesto, donde las variables de optimizaci��n son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una funci��n de coste basada en la intensidad de radiaci��n, la cual es minimizada de forma iterativa con el m��todo del gradiente. Ambos m��todos reducen el nivel de los l��bulos secundarios minimizando una funci��n de coste. El gradiente de la funci��n de coste es obtenido en t��rminos de la variable de optimizaci��n en cada m��todo. Esta funci��n de coste est�� formada por la expresi��n rigurosa de la intensidad de radiaci��n y por una funci��n de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiaci��n, si as�� se desea. Por ��ltimo, se presenta un m��todo en el cual, mediante t��cnicas de programaci��n entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiaci��n lo m��s cercano posible al deseado. Con este m��todo se obtienen dise��os que minimizan el coste de fabricaci��n. En cada uno de las diferentes t��cnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los m��todos ofrecen. Se comparan los resultados con otros m��todos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de s��ntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

AS MARCAS E O CONSUMIDOR: Um estudo dos discursos da publicidade na perspectiva da modifica����o dos estere��tipos na representa����o da fam��lia.The

Os papeis de homens e mulheres na sociedade contempor��nea t��m sido reestruturados, assim como a pr��pria no����o das estruturas familiares se renova. Algumas marcas est��o atentas a essas mudan��as e, no contexto mercadol��gico, fica evidente que os consumidores s��o diversos, com novas demandas e expectativas pelo reconhecimento dessa diversidade. Esta disserta����o discute a mudan��a de abordagem na representa����o da fam��lia, demonstrando suas muta����es de papeis na publicidade, esta vista como um produto sociocultural. Para tanto foi desenvolvida uma pesquisa qualitativa subsidiada pela an��lise de discurso de linha francesa. Primeiramente, o estudo qualitativo se desenvolve a partir de uma abordagem bibliogr��fica e documental e uma parte emp��rica de an��lise de discurso de campanhas publicit��rias dos ��ltimos anos, selecionadas a partir de seu foco nas representa����es familiares contempor��neas, de marcas que as tratem com naturalidade e demonstrem aceitar essas transi����es, buscando-as atrav��s da an��lise de casos m��ltiplos de amostras intencionais os avan��os quando se trata dos modelos familiares, elementos que se desviam de representa����o conservadora da fam��lia. Demonstrou-se que h�� uma tend��ncia de algumas marcas refor��arem qual �� o p��blico que desejam atingir atrav��s de suas constru����es discursivas que apontam para o reconhecimento das fam��lias reconstitu��das, para a ado����o e para a homo e monoparentalidade, ou seja, para a confirma����o da exist��ncia dos variados tipos de fam��lia.

M��todo multigrid alg��brico: reutiliza����o das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solu����o de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretiza����o de equa����es diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fen��menos f��sicos conduz �� busca de t��cnicas num��ricas escal��veis. M��todos multigrid s��o classificados como algoritmos escal��veis.Um estimador de erros deve estar associado �� solu����o num��rica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avalia����o da solu����o obtida pelo processo de aproxima����o. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutiliza����o das estruturas matriciais hier��rquicas de operadores de transfer��ncia e restri����o dos m��todos multigrid alg��bricos para acelerar o tempo de solu����o dos sistemas lineares associados �� equa����o do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementa����o das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou n��o constantes, os regimes de pequena ou grande advec����o e pela proposta de utiliza����o das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e �� condi����o inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos c��digos do m��todo de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programa����o PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementa����o dos m��todos multigrid alg��bricos com reutiliza����o considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutiliza����o das estruturas hier��rquicas, os m��todos multigrid com reutiliza����o com par��metro fixo e autom��tica s��o propostos, e esses conceitos s��o estendidos para os m��todos iterativos n��o-estacion��rios tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados num��ricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solu����o num��rica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solu����o num��rica similar �� uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os m��todos com reutiliza����o s��o mais r��pidos que os m��todos que n��o empregam o processo de reutiliza����o de estruturas. Al��m disso, a efici��ncia dos m��todos com reutiliza����o tamb��m pode ser observada na solu����o do problema auxiliar, o qual �� necess��rio para obten����o das estimativas residuais para o regime de grande advec����o. Esses resultados englobam tanto os m��todos multigrid alg��bricos do tipo SA quanto os m��todos pr��-condicionados por m��todos multigrid alg��brico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advec����o, malhas estruturadas e n��o estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e dom��nios com diferentes escalas.

Sistema computacional com gera����o de dados e visualiza����o de resultados para estrutura de edif��cios

Este trabalho trata do desenvolvimento de um sistema computacional, para a gera����o de dados e apresenta����o de resultados, espec��fico para as estruturas de edif��cios. As rotinas desenvolvidas devem trabalhar em conjunto com um sistema computacional para an��lise de estruturas com base no M��todo dos Elementos Finitos, contemplando tanto as estruturas de pavimentos; com a utiliza����o de elementos de barra, placa/casca e molas; como as estruturas de contraventamento; com a utiliza����o de elementos de barra tridimensional e recursos especiais como n�� mestre e trechos r��gidos. A linguagem computacional adotada para a elabora����o das rotinas mencionadas �� o Object Pascal do DELPHI, um ambiente de programa����o visual estruturado na programa����o orientada a objetos do Object Pascal. Essa escolha tem como objetivo, conseguir um sistema computacional onde altera����es e adi����es de fun����es possam ser realizadas com facilidade, sem que todo o conjunto de programas precise ser analisado e modificado. Por fim, o programa deve servir como um verdadeiro ambiente para an��lise de estruturas de edif��cios, controlando atrav��s de uma interface amig��vel com o usu��rio uma s��rie de outros programas j�� desenvolvidos em FORTRAN, como por exemplo o dimensionamento de vigas, pilares, etc.

Estudo da topologia de motores de fluxo axial de excita����o h��brida com foco na utiliza����o em tra����o el��trica.

Os motores de corrente cont��nua convencionais s��o muito bem conhecidos pela sua robustez e pelo seu alto n��vel de controlabilidade, alem do fato de possibilitarem a opera����o na regi��o de enfraquecimento de campo (modo motor), quando esta situa����o se fizer necess��ria. Por estas caracter��sticas, as m��quinas de corrente cont��nua ainda s��o empregadas nos dias atuais em nichos espec��ficos de utiliza����o. N��o obstante, a m��quina c.c. apresenta algumas desvantagens, principalmente a intensiva e dispendiosa manuten����o eletromec��nica necess��ria para sua opera����o. Como op����o de sanar este problema, surgiram na d��cada de 60, as m��quinas el��tricas de corrente cont��nua sem escovas (brushless) com excita����o por ��m��s permanentes de fluxo trapezoidal. O problema destas m��quinas se deve justamente a impossibilidade da varia����o de fluxo de excita����o uma vez que s��o produzidos puramente pelos ��m��s. Sendo assim, este trabalho tem como prop��sito, o estudo de topologias diferenciadas da m��quina el��trica, atrav��s de um circuito magn��tico n��o convencional para aplica����o e utiliza����o em sistemas de tra����o el��trica para opera����o na regi��o de enfraquecimento de campo atrav��s da varia����o do fluxo resultante no entreferro. Como objeto de estudo, foi focada a topologia de fluxo axial com excita����o h��brida, ou seja, dupla excita����o (excita����o a ��m��s permanentes e excita����o el��trica). Para o projeto da topologia proposta, nesta tese, adicionalmente ao m��todo anal��tico, foram realizadas simula����es computacionais para a compara����o e refinamento dos resultados das grandezas eletromagn��ticas da m��quina.

C��lculo da for��a contra eletromotriz em m��quinas s��ncronas com ��m��s na superf��cie do rotor

O presente trabalho trata do c��lculo da for��a contra eletromotriz em carga de uma m��quina s��ncrona com ��m��s na superf��cie do rotor (cuja forma de onda de for��a contra eletromotriz �� n��o senoidal) sendo esta alimentada por correntes de fase cujas forma de onda s��o quadradas. Para conduzir esta investiga����o e calcular a for��a contra eletromotriz da m��quina em estudo, faz-se uma revis��o sobre o M��todo da Permeabilidade Fixa, m��todo este que permite a lineariza����o do ponto de opera����o da m��quina. Dessa forma, as simula����es s��o conduzidas por meio do m��todo dos elementos finitos e do M��todo da Permeabilidade Fixa, levando-se em conta a forma de onda da corrente de alimenta����o. Aten����o especial �� dada ao modo que se analisa o fluxo concatenado e a forma de obten����o da for��a contra eletromotriz uma vez que as formas de onda do fluxo concatenado sofrem varia����es abruptas a cada 60�� el��tricos. Al��m destes par��metros, analisa-se tamb��m cada uma das parcelas do torque eletromagn��tico, i.e., torque m��tuo, torque de relut��ncia e torque de borda, sendo realizado ao final do trabalho, uma compara����o entre a soma da estimativa de cada par��metro com o valor do torque eletromagn��tico obtido por meio de uma simula����o n��o linear.

Determina����o anal��tica da corre����o de h��lice em um par engrenado devido ao efeito da flexo-tor����o.

O foco do presente trabalho �� estudar a intensifica����o da press��o de contato entre os dentes de duas engrenagens cil��ndricas de dentes retos, que ocorre por causa do deslocamento dos componentes de um redutor de velocidades. Essa intensifica����o ocorre inclusive em um redutor fabricado sem quaisquer erros de usinagem ou de montagem. A corre����o de h��lice �� uma usinagem realizada na superf��cie do dente da engrenagem que compensa os deslocamentos dos eixos e engrenagens, devido �� flex��o e �� tor����o, e os deslocamentos dos dentes das engrenagens, devido �� flex��o e �� press��o de contato. Foram estudados efeitos importantes para essa corre����o de h��lice em um redutor de velocidades. Com isso, foi desenvolvido um modelo anal��tico que calcula a corre����o necess��ria para diminuir esse intensificador de press��o de contato em fun����o dos deslocamentos citados acima. Esse modelo anal��tico foi comparado com um modelo anal��tico da literatura e com o software comercial RIKOR��. Os resultados de corre����o de h��lice propostos s��o similares aos da literatura e do RIKOR�� com exce����o das bordas das engrenagens, aonde existem algumas diverg��ncias. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo s��lido de engrenagem com o perfil evolvente e com as corre����es de h��lice calculadas analiticamente. Este modelo tridimensional (3D) foi elaborado usando os softwares SolidWorks�� e Inventor�� e simulado por elementos finitos por meio do software ANSYS��. Verificou-se que as tr��s corre����es de h��lice - a proposta, a da literatura e a do RIKOR�� - realmente diminuem a intensifica����o de press��o de contato no flanco do dente da engrenagem. Por fim, foi poss��vel visualizar que a corre����o proposta nesta disserta����o �� 3% mais efetiva que a proposta pela literatura e pelo RIKOR�� para o caso analisado.