Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos 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 ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico 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 fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros 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 métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más 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 daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. 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 éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño 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 análisis 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.

N-terminal transcriptional activation domain of LZIP comprises two LxxLL motifs and the Host Cell Factor-1 binding motif

Host Cell Factor-1 (HCF-1, C1) was first identified as a cellular target for the herpes simplex virus transcriptional activator VP16. Association between HCF and VP16 leads to the assembly of a multiprotein enhancer complex that stimulates viral immediate-early gene transcription. HCF-1 is expressed in all cells and is required for progression through G1 phase of the cell cycle. In addition to VP16, HCF-1 associates with a cellular bZIP protein known as LZIP (or Luman). Both LZIP and VP16 contain a four-amino acid HCF-binding motif, recognized by the N-terminal β-propeller domain of HCF-1. Herein, we show that the N-terminal 92 amino acids of LZIP contain a potent transcriptional activation domain composed of three elements: the HCF-binding motif and two LxxLL motifs. LxxLL motifs are found in a number of transcriptional coactivators and mediate protein–protein interactions, notably recognition of the nuclear hormone receptors. LZIP is an example of a sequence-specific DNA-binding protein that uses LxxLL motifs within its activation domain to stimulate transcription. The LxxLL motifs are not required for association with the HCF-1 β-propeller and instead interact with other regions in HCF-1 or recruit additional cofactors.

Induced fit DNA recognition by a minor groove binding analogue of Hoechst 33258: fluctuations in DNA A tract structure investigated by NMR and molecular dynamics simulations

NMR analysis and molecular dynamics simulations of d(GGTAATTACC)2 and its complex with a tetrahydropyrimidinium analogue of Hoechst 33258 suggest that DNA minor groove recognition in solution involves a combination of conformational selection and induced fit, rather than binding to a preorganised site. Analysis of structural fluctuations in the bound and unbound states suggests that the degree of induced fit observed is primarily a consequence of optimising van der Waals contacts with the walls of the minor groove resulting in groove narrowing through: (i) changes in base step parameters, including increased helical twist and propeller twist; (ii) changes to the sugar–phosphate backbone conformation to engulf the bound ligand; (iii) suppression of bending modes at the TpA steps. In contrast, the geometrical arrangement of hydrogen bond acceptors on the groove floor appears to be relatively insensitive to DNA conformation (helical twist and propeller twist). We suggest that effective recognition of DNA sequences (in this case an A tract structure) appears to depend to a significant extent on the sequence being flexible enough to be able to adopt the geometrically optimal conformation compatible with the various binding interactions, rather than involving ‘lock and key’ recognition.

Leucine zipper motif of chicken histone acetyltransferase-1 is essential for in vivo and in vitro interactions with the p48 subunit of chicken chromatin assembly factor-1

We cloned cDNA encoding chicken cytoplasmic histone acetyltransferase-1, chHAT-1, comprising 408 amino acids including a putative initiation Met. It exhibits 80.4% identity to the human homolog and possesses a typical leucine zipper motif. The glutathione S-transferase (GST) pull-down assay, involving truncated and missense mutants of the chicken chromatin assembly factor-1 (chCAF-1)p48, revealed not only that a region (comprising amino acids 376–405 of chCAF-1p48 and containing the seventh WD dipeptide motif) binds to chHAT-1 in vitro, but also that mutation of the motif has no influence on the in vitro interaction. The GST pull-down assay, involving truncated and missense chHAT-1 mutants, established that a region, comprising amino acids 380–408 of chHAT-1 and containing the leucine zipper motif, is required for its in vitro interaction with chCAF-1p48. In addition, mutation of each of four Leu residues in the leucine zipper motif prevents the in vitro interaction. The yeast two-hybrid assay revealed that all four Leu residues within the leucine zipper motif of chHAT-1 are necessary for its in vivo interaction with chCAF-1p48. These results indicate not only that the proper leucine zipper motif of chHAT-1 is essential for its interaction with chCAF-1p48, but also that the propeller structure of chCAF-1p48 expected to act as a platform for protein–protein interactions may not be necessary for this interaction of chHAT-1.

Tratamento de água residuária parcialmente solúvel em reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada e agitação mecânica: análise da influência da intensidade de agitação e do tamanho de biopartícula

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica.

Desempenho propulsivo de embarcações de pesca: estudo aplicado à melhoria das embarcações do Espírito Santo.

Este trabalho apresenta um procedimento simples e robusto para avaliação e análise do desempenho de instalações propulsoras de embarcações de pesca operando no Estado do Espírito Santo. O objetivo é verificar se as embarcações estão operando com baixa eficiência propulsiva, portanto, com consumo de combustível maior do que o desejável, e identificar possíveis ações de melhoria desta eficiência que poderiam ser implementadas com baixo custo. Tendo em vista as condições artesanais da construção e operação das embarcações de pesca no Espírito Santo, o procedimento foi desenvolvido de forma a poder ser aplicado com relativa facilidade pelas pessoas envolvidas na atividade pesqueira artesanal neste Estado. O procedimento envolve o levantamento de informações sobre a geometria do casco, as características da instalação propulsora existente e sobre alguns aspectos do desempenho das embarcações. Para este levantamento são propostos métodos e técnicas suficientemente simples para que possam ser facilmente aplicadas nos estaleiros. Com base nestes dados levantados implementou-se no procedimento proposto diversos algoritmos que permitem determinar o coeficiente propulsivo das embarcações de pesca e a perda de energia útil que ocorre tanto no motor, por conta de condições inadequadas de operação, quanto na transmissão desta energia para o hélice. Para a validação dos métodos e técnicas envolvidos neste procedimento e dos resultados fornecidos por ele, o mesmo foi aplicado em alguns cascos de embarcações de pesca disponíveis em estaleiros visitados no Estado. Para uma destas embarcações o procedimento foi aplicado em sua totalidade, permitindo identificar a baixa eficiência da instalação propulsora e algumas das possíveis causas que provocam a perda de energia útil no sistema. Finalmente, com base nesse exemplo de aplicação, um estudo de possíveis melhorias na instalação propulsora é apresentado ao final do trabalho.

Modelo computacional para avaliação do desempenho hidrodinâmico de embarcações de planeio em águas calmas.

Em geral, uma embarcação de planeio é projetada para atingir elevados níveis de velocidade. Esse atributo de desempenho está diretamente relacionado ao porte da embarcação e à potência instalada em sua planta propulsiva. Tradicionalmente, durante o projeto de uma embarcação, as análises de desempenho são realizadas através de resultados de embarcações já existentes, retirados de séries sistemáticas ou de embarcações já desenvolvidas pelo estaleiro e/ou projetista. Além disso, a determinação dos atributos de desempenho pode ser feita através de métodos empíricos e/ou estatísticos, onde a embarcação é representada através de seus parâmetros geométricos principais; ou a partir de testes em modelos em escala reduzida ou protótipos. No caso específico de embarcações de planeio, o custo dos testes em escala reduzida é muito elevado em relação ao custo de projeto. Isso faz com que a maioria dos projetistas não opte por ensaios experimentais das novas embarcações em desenvolvimento. Ao longo dos últimos anos, o método de Savitsky foi largamente utilizado para se realizar estimativas de potência instalada de uma embarcação de planeio. Esse método utiliza um conjunto de equações semi-empíricas para determinar os esforços atuantes na embarcação, a partir dos quais é possível determinar a posição de equilíbrio de operação e a força propulsora necessária para navegar em uma dada velocidade. O método de Savitsky é muito utilizado nas fases iniciais de projeto, onde a geometria do casco ainda não foi totalmente definida, pois utiliza apenas as características geométricas principais da embarcação para realização das estimativas de esforços. À medida que se avança nas etapas de projeto, aumenta o detalhamento necessário das estimativas de desempenho. Para a realização, por exemplo, do projeto estrutural é necessária uma estimativa do campo de pressão atuante no fundo do casco, o qual não pode ser determinado pelo método de Savitsky. O método computacional implementado nesta dissertação, tem o objetivo de determinar as características do escoamento e o campo de pressão atuante no casco de uma embarcação de planeio navegando em águas calmas. O escoamento é determinado através de um problema de valor de contorno, no qual a superfície molhada no casco é considerada um corpo esbelto. Devido ao uso da teoria de corpo esbelto o problema pode ser tratado, separadamente, em cada seção, onde as condições de contorno são forçadamente respeitadas através de uma distribuição de vórtices.

Measuring the stellar wind parameters in IGR J17544-2619 and Vela X-1 constrains the accretion physics in supergiant fast X-ray transient and classical supergiant X-ray binaries

Context. Classical supergiant X-ray binaries (SGXBs) and supergiant fast X-ray transients (SFXTs) are two types of high-mass X-ray binaries (HMXBs) that present similar donors but, at the same time, show very different behavior in the X-rays. The reason for this dichotomy of wind-fed HMXBs is still a matter of debate. Among the several explanations that have been proposed, some of them invoke specific stellar wind properties of the donor stars. Only dedicated empiric analysis of the donors’ stellar wind can provide the required information to accomplish an adequate test of these theories. However, such analyses are scarce. Aims. To close this gap, we perform a comparative analysis of the optical companion in two important systems: IGR J17544-2619 (SFXT) and Vela X-1 (SGXB). We analyze the spectra of each star in detail and derive their stellar and wind properties. As a next step, we compare the wind parameters, giving us an excellent chance of recognizing key differences between donor winds in SFXTs and SGXBs. Methods. We use archival infrared, optical and ultraviolet observations, and analyze them with the non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) Potsdam Wolf-Rayet model atmosphere code. We derive the physical properties of the stars and their stellar winds, accounting for the influence of X-rays on the stellar winds. Results. We find that the stellar parameters derived from the analysis generally agree well with the spectral types of the two donors: O9I (IGR J17544-2619) and B0.5Iae (Vela X-1). The distance to the sources have been revised and also agree well with the estimations already available in the literature. In IGR J17544-2619 we are able to narrow the uncertainty to d = 3.0 ± 0.2 kpc. From the stellar radius of the donor and its X-ray behavior, the eccentricity of IGR J17544-2619 is constrained to e< 0.25. The derived chemical abundances point to certain mixing during the lifetime of the donors. An important difference between the stellar winds of the two stars is their terminal velocities (ν∞ = 1500 km s-1 in IGR J17544-2619 and ν∞ = 700 km s-1 in Vela X-1), which have important consequences on the X-ray luminosity of these sources. Conclusions. The donors of IGR J17544-2619 and Vela X-1 have similar spectral types as well as similar parameters that physically characterize them and their spectra. In addition, the orbital parameters of the systems are similar too, with a nearly circular orbit and short orbital period. However, they show moderate differences in their stellar wind velocity and the spin period of their neutron star which has a strong impact on the X-ray luminosity of the sources. This specific combination of wind speed and pulsar spin favors an accretion regime with a persistently high luminosity in Vela X-1, while it favors an inhibiting accretion mechanism in IGR J17544-2619. Our study demonstrates that the relative wind velocity is critical in class determination for the HMXBs hosting a supergiant donor, given that it may shift the accretion mechanism from direct accretion to propeller regimes when combined with other parameters.

Estudo de balística interna

O conhecimento e a compreensão dos processos que ocorrem no interior do tubo de uma arma de fogo, desde a ignição da carga propulsora, até à saída do projétil, é importante no desenvolvimento do armamento, de uma forma económica e segura. Com a modelação matemática destes processos, que é uma abordagem muito utilizada atualmente, é possível otimizar a carga explosiva e os materiais utilizados. Este estudo foi realizado no âmbito do projeto FIREND, resultante da colaboração entre a Academia Militar e o Instituto Superior Técnico O modelo desenvolvido foi aplicado a um sistema, arma, carga propulsora e projétil, já existente, tendo os resultados obtidos sido validados com o software PRODAS e tabelas referentes ao presente sistema. Para melhor compreender a importância das variáveis envolvidas, é feita uma análise de sensibilidade a diversos parâmetros balísticos, mantendo constante as dimensões da arma em estudo. Na análise dos resultados verifica-se que a cinta de travamento é um elemento muito importante, alterando significativamente os valores da pressão e da velocidade. Verificou-se também que com cargas propulsoras de maior taxa de queima é possível obter valores mais elevados de pressão máxima e velocidade à saída. Palavras chave: Balística interna; Projétil de Artilharia; Pressão; Velocidade; Modelação matemática; Análise de sensibilidade.