Evaluación teórico experimental de la influencia de espumas de relleno metálicas como elementos de absorción de energía en perfiles tubulares de pequeño espesor. Su aplicación a vehículos para el transporte colectivo de personas

Los accidentes con implicación de autocares en los que se producen vuelcos ponen de manifiesto la especial agresividad de los mismos, como lo confirman las estadísticas. Como medida para mejorar la seguridad de los Vehículos de Grandes Dimensiones para el Transporte de Pasajeros (V.G.D.T.P.) frente a vuelco fue aprobado por las Naciones Unidas el Reglamento Nº 66 de Ginebra. Este reglamento establece los requisitos mínimos que las estructuras de los vehículos de grandes dimensiones deben cumplir con respecto a vuelco. El reglamento 66 ha supuesto un paso adelante muy importante en relación con la seguridad de los autocares, puesto que especifica por primera vez requerimientos estructurales a este tipo de vehículos, y en general ha supuesto una mejora del vehículo . Por otro lado, a consecuencia de la obligatoriedad de instalación de cinturones de seguridad, existe una unión entre pasajeros y vehículo, pero como no se trata de una unión rígida, hay que contemplar el porcentaje de la masa de los ocupantes que influye en la absorción de energía de la estructura. Además la retención de los ocupantes con cinturones de seguridad influye en la energía a absorber por la estructura del vehículo en dos aspectos, por un lado aumenta la masa del vehículo y en el otro se incrementa la altura el centro de gravedad. Esta situación a conducido a elaborar por parte de las Naciones Unidas la revisión 01 del Reglamento 66, en el que se considera que el 50 % de la masa total de los pasajeros posee una unión rígida con la estructura del vehículo, y por lo tanto debe ser tenida en cuenta si el vehículo posee sistemas de retención. En la situación actual, con limitaciones de peso del vehículo y peso por eje, los elementos de confort, seguridad y espacio para maleteros contribuyen a aumentar el peso del vehículo. Esto unido a la dificultad de introducción de cambios radicales en la concepción actual de fabricación de este tipo de vehículos por suponer unas pérdidas importantes para los fabricantes existentes, tanto en su conocimiento del producto como en su metodología de proceso, conlleva la necesidad cada vez más agobiante de analizar y evaluar otras alternativas estructurales que sin suponer grandes revoluciones a los productos actualmente en fabricación los complementen permitiendo adaptarse a los nuevos requerimientos en seguridad. Recientes desarrollos en la relación costo-beneficio de los procesos para la producción de materiales celulares metálicos de baja densidad, tales como las espumas metálicas, los posiciona como una alternativa de especial interés para la aplicación como elementos de absorción de energía para reforzar estructuras. El relleno con espumas metálicas puede ser más eficiente en términos de optimización de peso comparado con el aumento de espesor de los perfiles estructurales, dado que la absorción de energía se produce en una fracción relativamente pequeña de los perfiles, en las denominadas rótulas plásticas. La aplicación de espumas de relleno metálicas en estructuras de vehículos se está empezando a emplear en determinadas zonas de los vehículos de turismo, siendo totalmente novedosa cualquier intento de aplicación en estructuras de autobuses y autocares. Conforme a lo expuesto, y con el objeto de resolver estos problemas, se ha elaborado el presente trabajo de tesis doctoral, cuyos objetivos son: -Desarrollar un modelo matemático, que permita simular el ensayo de vuelco, considerando la influencia de los ocupantes retenidos con cinturones de seguridad para evaluar su influencia en la absorción de energía de la estructura. -Validar el modelo matemático de vuelco de la estructura mediante ensayos de secciones representativas de la estructura del vehículo y mediante el ensayo de un vehículo completo. -Realizar un estudio de las propiedades de las espumas metálicas que permitan incorporarlas como elemento de absorción de energía en el relleno de componentes de la superestructura de autobuses y autocares. -Desarrollar un modelo matemático para evaluar el aporte del relleno de espuma metálica en la absorción de energía ante solicitaciones por flexión estática y dinámica en componentes de la superestructura de autobuses o autocares. -Realizar un programa de ensayos a flexión estáticos y dinámicos para validar el modelo matemático del aporte del relleno de espuma metálica sobre componentes de la superestructura de autobuses y autocares. . -Incorporar al modelo matemático de vuelco de la estructura, los resultados obtenidos sobre componentes con relleno de espuma metálica, para evaluar el aporte en la absorción de energía. -Validar el modelo de vuelco de la estructura del autobús o autocar con relleno de espuma metálica, mediante ensayos de secciones de carrocería. ABSTRACT Accidents involving buses in which rollovers occur reveal the special aggressiveness thereof, as the statistics prove. As a measure to improve the safety of large vehicles for the transport of passengers to rollover, Regulation 66 of Geneva was approved by the United Nations. This regulation establishes the minimum requirements that structures of large vehicles must comply with respect to rollovers. The regulation 66 has been a major step forward in relation to the safety of coaches, since it specifies structural requirements to such vehicles and has been an improvement for the vehicle. In turn, as a result of compulsory installation of safety belts, there is contact between passengers and vehicle, but as it is not a rigid connection we must contemplate the percentage of the mass of the occupants that impacts on the energy absorption of the structure. Thus, the passengers’ restraining modifies the energy to absorb by the vehicle in two different aspects: On the one hand, it increases the vehicle weight and on the other the height of the center of gravity. This circumstance has taken the United Nations to elaborate Revision 01 of Regulation 66, in which it is considered that the 50 percent of passengers’ mass has a rigid joint together with the vehicle structure and, therefore, the passengers’ mass mentioned above should be highly considered if the vehicle has seat belts. In the present situation, in which limitations in vehicle weight and weight in axles are stricter, elements of comfort, safety and space for baggage are contributing to increase the weight of the vehicle. This coupled with the difficulty of introducing radical changes in the current conception of manufacturing such vehicles pose significant losses for existing manufacturers, both in product knowledge and process methodology, entails the overwhelming need to analyze and evaluate other structural alternatives without assuming relevant modifications on the products manufactured currently allowing them to adapt to the new safety requirements. Recent developments in cost-benefit processes for the production of metallic foams of low density, such as metal foams, place them as an alternative of special interest to be used as energy absorbers to strengthen structures. The filling with metal foams can be more efficient in terms of weight optimization compared with increasing thickness of the structural beams, since the energy absorption occurs in a relatively small fraction of the beams, called plastic hinges. The application of metal filling foams in vehicle structures is beginning to be used in certain areas of passenger cars, being an innovative opportunity in structures for application in buses and coaches. According to the mentioned before, and in order to come forward with a solution, this doctoral thesis has been prepared and its objectives are: - Develop a mathematical model to simulate the rollover test, considering the influence of the occupants held with seat belts to assess their influence on energy absorption structure. - Validate the mathematical model of the structure rollover by testing representative sections of the vehicle structure and by testing a complete vehicle. - Conduct a study of the properties of metal foams as possible incorporation of energy absorbing element in the filler component of the superstructure of buses and coaches. - Elaborate a mathematical model to assess the contribution of the metal foam filling in absorbing energy for static and dynamic bending loads on the components of buses or coaches superstructure. - Conduct a static and dynamic bending test program to validate the mathematical model of contribution of metal foam filling on components of the superstructure of buses and coaches bending. - To incorporate into the mathematical model of structure rollover, the results obtained on components filled with metal foam, to evaluate the contribution to the energy absorption. - Validate the rollover model structure of the bus or coach filled with metal foam through tests of bay sections. The objectives in this thesis have been achieved successfully. The contribution calculation model with metal foam filling in the vehicle structure has revealed that the filling with metal foam is more efficient than increasing thickness of the beams, as demonstrated in the experimental validation of bay sections.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.

O ESTUDANTE DA EAD (EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA): UM ESTUDO DE PERFIL E INTERAÇÃO GERACIONAL

A aprendizagem formal e tradicional tem dado lugar a um cenário desafiador no qual educador e educando não comungam do mesmo espaço físico. A Educação a Distância (EAD), ainda é vista como uma solução que agrega cada vez mais alunos de diferentes idades que desejam uma graduação de ensino superior ou a continuidade dela. A pesquisa com o título: “O estudante da EAD (educação a distância): um estudo de perfil e interação geracional” propõe conhecer as características do perfil atual do estudante da EAD, abordando o diálogo entre as gerações no ambiente social escolar. O enfoque da pesquisa é qualitativa, exploratória e descritiva com dados que foram coletados através de entrevista com 08 alunos das gerações X e Y para assim entender se este perfil tem sido renovado com alunos mais jovens, do que a faixa etária de 25 a 45 anos. O resultado demonstra que alunos na faixa de 17 a 24 anos a cada ano aumentam 1% das matrículas. Já a faixa de 25 a 45 anos prevalece com 70% das matrículas. Portanto, este resultado revela que o perfil do aluno EAD ainda é o do jovem adulto, para adulto mais experiente, que busca a graduação com o propósito de progressão no ambiente profissional. As duas gerações citadas geração X e geração Y, mesmo em contextos históricos diferenciados de valores, crenças e comportamentos participam atualmente de uma transformação social que contempla os meios de produção do trabalho, a formação educacional e as relações sociais. O diálogo intergeracional direciona a um aprendizado compartilhado, participativo na troca de experiências mutuas. Para a geração X o jovem atual não é mais nomeado como o que precisa escutar e aprender, mas tem muito a partilhar, principalmente diante da facilidade com os meios tecnológicos. E para a geração Y, na partilha não há barreiras de idade, mas a segurança de interagir e se comunicar diante da troca de experiências

A synthetic all d-amino acid peptide corresponding to the N-terminal sequence of HIV-1 gp41 recognizes the wild-type fusion peptide in the membrane and inhibits HIV-1 envelope glycoprotein-mediated cell fusion

Recent studies demonstrated that a synthetic fusion peptide of HIV-1 self-associates in phospholipid membranes and inhibits HIV-1 envelope glycoprotein-mediated cell fusion, presumably by interacting with the N-terminal domain of gp41 and forming inactive heteroaggregates [Kliger, Y., Aharoni, A., Rapaport, D., Jones, P., Blumenthal, R. & Shai, Y. (1997) J. Biol. Chem. 272, 13496–13505]. Here, we show that a synthetic all d-amino acid peptide corresponding to the N-terminal sequence of HIV-1 gp41 (D-WT) of HIV-1 associates with its enantiomeric wild-type fusion (WT) peptide in the membrane and inhibits cell fusion mediated by the HIV-1 envelope glycoprotein. D-WT does not inhibit cell fusion mediated by the HIV-2 envelope glycoprotein. WT and D-WT are equally potent in inducing membrane fusion. D-WT peptide but not WT peptide is resistant to proteolytic digestion. Structural analysis showed that the CD spectra of D-WT in trifluoroethanol/water is a mirror image of that of WT, and attenuated total reflectance–fourier transform infrared spectroscopy revealed similar structures and orientation for the two enantiomers in the membrane. The results reveal that the chirality of the synthetic peptide corresponding to the HIV-1 gp41 N-terminal sequence does not play a role in liposome fusion and that the peptides’ chirality is not necessarily required for peptide–peptide interaction within the membrane environment. Furthermore, studies along these lines may provide criteria to design protease-resistant therapeutic agents against HIV and other viruses.

Chromatin modification by DNA tracking

In general, the transcriptional competence of a chromatin domain is correlated with increased sensitivity to DNase I cleavage. A recent observation that actively transcribing RNA polymerase II piggybacks a histone acetyltranferase activity [Wittschieben, B., Otero, G., de Bizemont, T., Fellows, J., Erdjument-Bromage, H., Ohba, R., Li, Y., Allis, C. D., Tempst, P. & Svejstrup, J. Q. (1999) Mol. Cell 4, 123–128] implies that the state of histone acetylation, and hence the ability of chromatin to fold, can be altered by a processive mechanism. In this article, it is proposed that tracking-mediated chromatin modification could create and/or maintain an open configuration in a complete chromatin domain including both intra- and extragenic regions. This mechanism suggests a putative functional role for the extragenic transcription observed at the β-globin and other loci in vertebrate cells.

N-Methyl-d-aspartate antagonists and apoptotic cell death triggered by head trauma in developing rat brain

Morbidity and mortality from head trauma is highest among children. No animal model mimicking traumatic brain injury in children has yet been established, and the mechanisms of neuronal degeneration after traumatic injury to the developing brain are not understood. In infant rats subjected to percussion head trauma, two types of brain damage could be characterized. The first type or primary damage evolved within 4 hr and occurred by an excitotoxic mechanism. The second type or secondary damage evolved within 6–24 hr and occurred by an apoptotic mechanism. Primary damage remained localized to the parietal cortex at the site of impact. Secondary damage affected distant sites such as the cingulate/retrosplenial cortex, subiculum, frontal cortex, thalamus and striatum. Secondary apoptotic damage was more severe than primary excitotoxic damage. Morphometric analysis demonstrated that the N-methyl-d-aspartate receptor antagonists 3-(2-carboxypiperazin-4-yl)-propyl-1-phosphonate and dizocilpine protected against primary excitotoxic damage but increased severity of secondary apoptotic damage. 2-Sulfo-α-phenyl-N-tert-butyl-nitrone, a free radical scavenger, did not affect primary excitotoxic damage but mitigated apoptotic damage. These observations demonstrate that apoptosis and not excitotoxicity determine neuropathologic outcome after traumatic injury to the developing brain. Whereas free radical scavengers may prove useful in therapy of head trauma in children, N-methyl-d-aspartate antagonists should be avoided because of their propensity to increase severity of apoptotic damage.

A quantitative test to estimate neutralizing antibodies to the hepatitis C virus: cytofluorimetric assessment of envelope glycoprotein 2 binding to target cells.

Hepatitis C virus (HCV) is a major cause of chronic hepatitis. The virus does not replicate efficiently in cell cultures, and it is therefore difficult to assess infection-neutralizing antibodies and to evaluate protective immunity in vitro. To study the binding of the HCV envelope to cell-surface receptors, we developed an assay to assess specific binding of recombinant envelope proteins to human cells and neutralization thereof. HCV recombinant envelope proteins expressed in various systems were incubated with human cells, and binding was assessed by flow cytometry using anti-envelope antibodies. Envelope glycoprotein 2 (E2) expressed in mammalian cells, but not in yeast or insect cells, binds human cells with high affinity (Kd approximately 10(-8) M). We then assessed antibodies able to neutralize E2 binding in the sera of both vaccinated and carrier chimpanzees, as well as in the sera of humans infected with various HCV genotypes. Vaccination with recombinant envelope proteins expressed in mammalian cells elicited high titers of neutralizing antibodies that correlated with protection from HCV challenge. HCV infection does not elicit neutralizing antibodies in most chimpanzees and humans, although low titers of neutralizing antibodies were detectable in a minority of infections. The ability to neutralize binding of E2 derived from the HCV-1 genotype was equally distributed among sera from patients infected with HCV genotypes 1, 2, and 3, demonstrating that binding of E2 is partly independent of E2 hypervariable regions. However, a mouse monoclonal antibody raised against the E2 hypervariable region 1 can partially neutralize binding of E2, indicating that at least two neutralizing epitopes, one of which is hypervariable, should exist on the E2 protein. The neutralization-of-binding assay described will be useful to study protective immunity to HCV infection and for vaccine development.