Analysis of optimal control problems for the incompressible MHD equations and implementation in a finite element multiphysics code

This thesis deals with the study of optimal control problems for the incompressible Magnetohydrodynamics (MHD) equations. Particular attention to these problems arises from several applications in science and engineering, such as fission nuclear reactors with liquid metal coolant and aluminum casting in metallurgy. In such applications it is of great interest to achieve the control on the fluid state variables through the action of the magnetic Lorentz force. In this thesis we investigate a class of boundary optimal control problems, in which the flow is controlled through the boundary conditions of the magnetic field. Due to their complexity, these problems present various challenges in the definition of an adequate solution approach, both from a theoretical and from a computational point of view. In this thesis we propose a new boundary control approach, based on lifting functions of the boundary conditions, which yields both theoretical and numerical advantages. With the introduction of lifting functions, boundary control problems can be formulated as extended distributed problems. We consider a systematic mathematical formulation of these problems in terms of the minimization of a cost functional constrained by the MHD equations. The existence of a solution to the flow equations and to the optimal control problem are shown. The Lagrange multiplier technique is used to derive an optimality system from which candidate solutions for the control problem can be obtained. In order to achieve the numerical solution of this system, a finite element approximation is considered for the discretization together with an appropriate gradient-type algorithm. A finite element object-oriented library has been developed to obtain a parallel and multigrid computational implementation of the optimality system based on a multiphysics approach. Numerical results of two- and three-dimensional computations show that a possible minimum for the control problem can be computed in a robust and accurate manner.

Finite element modeling of the cement-bone interface beneath the tibial tray of a total knee arthroplasty: Study of the stress shielding effect (modellazione agli elementi finiti dell'interfaccia cemento-osso sotto il piatto tibiale di protesi totale di ginocchio: Analisi dello stress shielding)

The goal of this thesis was the study of the cement-bone interface in the tibial component of a cemented total knee prosthesis. One of the things you can see in specimens after in vivo service is that resorption of bone occurs in the interdigitated region between bone and cement. A stress shielding effect was investigated as a cause to explain bone resorption. Stress shielding occurs when bone is loaded less than physiological and therefore it starts remodeling according to the new loading conditions. µCT images were used to obtain 3D models of the bone and cement structure and a Finite Element Analysis was used to simulate different kind of loads. Resorption was also simulated by performing erosion operations in the interdigitated bone region. Finally, 4 models were simulated: bone (trabecular), bone with cement, and two models of bone with cement after progressive erosions of the bone. Compression, tension and shear test were simulated for each model in displacement-control until 2% of strain. The results show how the principal strain and Von Mises stress decrease after adding the cement on the structure and after the erosion operations. These results show that a stress shielding effect does occur and rises after resorption starts.

Biomechanics of the distal radio-ulnar joint: A finite element study (biomeccanica dell'articolazione radio-ulnare distale: Studio agli elementi finiti)

Il metodo agli elementi finiti è stato utilizzato per valutare la distribuzione dei carichi e delle deformazioni in numerose componenti del corpo umano. L'applicazione di questo metodo ha avuto particolare successo nelle articolazioni con geometria semplice e condizioni di carico ben definite, mentre ha avuto un impatto minore sulla conoscenza della biomeccanica delle articolazioni multi-osso come il polso. Lo scopo di questo lavoro è quello di valutare gli aspetti clinici e biomeccanici dell’articolazione distale radio-ulnare, attraverso l’utilizzo di metodi di modellazione e di analisi agli elementi finiti. Sono stati progettati due modelli 3D a partire da immagini CT, in formato DICOM. Le immagini appartenevano ad un paziente con articolazione sana e ad un paziente con articolazione patologica, in particolare si trattava di una dislocazione ulnare traumatica. Le componenti principali dei modelli presi in considerazione sono stati: radio, ulna, cartilagine, legamento interosso, palmare e distale. Per la realizzazione del radio e dell’ulna sono stati utilizzati i metodi di segmentazione “Thresholding” e “RegionGrowing” sulle immagini e grazie ad operatori morfologici, è stato possibile distinguere l’osso corticale dall’osso spongioso. Successivamente è stata creata la cartilagine presente tra le due ossa, attraverso operazioni di tipo booleano. Invece, i legamenti sono stati realizzati prendendo i punti-nodo del radio e dell’ulna e formando le superfici tra di essi. Per ciascuna di queste componenti, sono state assegnate le corrispondenti proprietà dei materiali. Per migliorare la qualità dei modelli, sono state necessarie operazioni di “Smoothing” e “Autoremesh”. In seguito, è stata eseguita un’analisi agli elementi finiti attraverso l’uso di vincoli e forze, così da simulare il comportamento delle articolazioni. In particolare, sono stati simulati lo stress e la deformazione. Infine, grazie ai risultati ottenuti dalle simulazioni, è stato possibile verificare l’eventuale rischio di frattura in differenti punti anatomici del radio e dell’ulna nell’articolazione sana e patologica.