Layout and material gradation in topology optimization of functionally graded structures: a global-local approach

By means of continuous topology optimization, this paper discusses the influence of material gradation and layout in the overall stiffness behavior of functionally graded structures. The formulation is associated to symmetry and pattern repetition constraints, including material gradation effects at both global and local levels. For instance, constraints associated with pattern repetition are applied by considering material gradation either on the global structure or locally over the specific pattern. By means of pattern repetition, we recover previous results in the literature which were obtained using homogenization and optimization of cellular materials.

A Practical Micro Mechanical Model Based Local Approach Methodology for the Analysis of Ductile Fracture of Welded T-Joints

This thesis concentrates on developing a practical local approach methodology based on micro mechanical models for the analysis of ductile fracture of welded joints. Two major problems involved in the local approach, namely the dilational constitutive relation reflecting the softening behaviour of material, and the failure criterion associated with the constitutive equation, have been studied in detail. Firstly, considerable efforts were made on the numerical integration and computer implementation for the non trivial dilational Gurson Tvergaard model. Considering the weaknesses of the widely used Euler forward integration algorithms, a family of generalized mid point algorithms is proposed for the Gurson Tvergaard model. Correspondingly, based on the decomposition of stresses into hydrostatic and deviatoric parts, an explicit seven parameter expression for the consistent tangent moduli of the algorithms is presented. This explicit formula avoids any matrix inversion during numerical iteration and thus greatly facilitates the computer implementation of the algorithms and increase the efficiency of the code. The accuracy of the proposed algorithms and other conventional algorithms has been assessed in a systematic manner in order to highlight the best algorithm for this study. The accurate and efficient performance of present finite element implementation of the proposed algorithms has been demonstrated by various numerical examples. It has been found that the true mid point algorithm (a = 0.5) is the most accurate one when the deviatoric strain increment is radial to the yield surface and it is very important to use the consistent tangent moduli in the Newton iteration procedure. Secondly, an assessment of the consistency of current local failure criteria for ductile fracture, the critical void growth criterion, the constant critical void volume fraction criterion and Thomason's plastic limit load failure criterion, has been made. Significant differences in the predictions of ductility by the three criteria were found. By assuming the void grows spherically and using the void volume fraction from the Gurson Tvergaard model to calculate the current void matrix geometry, Thomason's failure criterion has been modified and a new failure criterion for the Gurson Tvergaard model is presented. Comparison with Koplik and Needleman's finite element results shows that the new failure criterion is fairly accurate indeed. A novel feature of the new failure criterion is that a mechanism for void coalescence is incorporated into the constitutive model. Hence the material failure is a natural result of the development of macroscopic plastic flow and the microscopic internal necking mechanism. By the new failure criterion, the critical void volume fraction is not a material constant and the initial void volume fraction and/or void nucleation parameters essentially control the material failure. This feature is very desirable and makes the numerical calibration of void nucleation parameters(s) possible and physically sound. Thirdly, a local approach methodology based on the above two major contributions has been built up in ABAQUS via the user material subroutine UMAT and applied to welded T joints. By using the void nucleation parameters calibrated from simple smooth and notched specimens, it was found that the fracture behaviour of the welded T joints can be well predicted using present methodology. This application has shown how the damage parameters of both base material and heat affected zone (HAZ) material can be obtained in a step by step manner and how useful and capable the local approach methodology is in the analysis of fracture behaviour and crack development as well as structural integrity assessment of practical problems where non homogeneous materials are involved. Finally, a procedure for the possible engineering application of the present methodology is suggested and discussed.

An engineering methodology to assess effects of weld strength mismatch on cleavage fracture toughness using the Weibull stress approach

This work describes the development of an engineering approach based upon a toughness scaling methodology incorporating the effects of weld strength mismatch on crack-tip driving forces. The approach adopts a nondimensional Weibull stress, (sigma) over bar (w), as a the near-tip driving force to correlate cleavage fracture across cracked weld configurations with different mismatch conditions even though the loading parameter (measured by J) may vary widely due to mismatch and constraint variations. Application of the procedure to predict the failure strain for an overmatch girth weld made of an API X80 pipeline steel demonstrates the effectiveness of the micromechanics approach. Overall, the results lend strong support to use a Weibull stress based procedure in defect assessments of structural welds.

Life quality and the wellness of local population and the sustainability of social organizations. Study case of a Foundation

This research aims to present an analysis on the absence of innovative social responses related with continuing care, taking into account the need to answer to all kind of social needs. Our main goal is not only a theoretical approach about the social challenges and social policies, but also present a study on the potentialities of the Fundação Elísio Ferreira Afonso, our case study, can apply for funding of an UCC (Continuing Care Unit) in order to meet the needs of the local population on one hand, and on the other, in order to contribute to the self-sustainability of the Foundation. This paper is divided into three parts: theoretical framework and characterization of our social organization, according to an exploratory research, structuring a strategic plan of the organization, through field research, and as final result, to present a proposal for funding and implementation of an innovative UCC, according to the underlying legislation to Portugal 2020. The sample is focused on the population of Sátão municipality. To conclude, it is important to make this local approach, because of the increasing demand for this kind of caring services.

Design de nouvelles fonctionnelles en théorie de la fonctionnelle de la densité et conception de polymères pour application à la photovoltaïque organique

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes.

Une nouvelle méthode pour estimer la torsion géométrique en scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Pour la plupart des patients atteints de SIA, aucun traitement chirurgical n’est nécessaire. Lorsque la déformation devient sévère, un traitement chirurgical visant à réduire la déformation est recommandé. Pour déterminer la sévérité de la SIA, l’imagerie la plus utilisée est une radiographie postéroantérieure (PA) ou antéro-postérieure (AP) du rachis. Plusieurs indices sont disponibles à partir de cette modalité d’imagerie afin de quantifier la déformation de la SIA, dont l’angle de Cobb. La conduite thérapeutique est généralement basée sur cet indice. Cependant, les indices disponibles à cette modalité d’imagerie sont de nature bidimensionnelle (2D). Celles-ci ne décrivent donc pas entièrement la déformation dans la SIA dû à sa nature tridimensionnelle (3D). Conséquemment, les classifications basées sur les indices 2D souffrent des mêmes limitations. Dans le but décrire la SIA en 3D, la torsion géométrique a été étudiée et proposée par Poncet et al. Celle-ci mesure la tendance d’une courbe tridimensionnelle à changer de direction. Cependant, la méthode proposée est susceptible aux erreurs de reconstructions 3D et elle est calculée localement au niveau vertébral. L’objectif de cette étude est d’évaluer une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique par l’approximation de longueurs d’arcs locaux et par paramétrisation de courbes dans la SIA. Une première étude visera à étudier la sensibilité de la nouvelle méthode présentée face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. Par la suite, deux études cliniques vont présenter la iv torsion géométrique comme indice global et viseront à démontrer l’existence de sous-groupes non-identifiés dans les classifications actuelles et que ceux-ci ont une pertinence clinique. La première étude a évalué la robustesse de la nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique chez un groupe de patient atteint de la SIA. Elle a démontré que la nouvelle technique est robuste face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. La deuxième étude a évalué la torsion géométrique utilisant cette nouvelle méthode dans une cohorte de patient avec des déformations de type Lenke 1. Elle a démontré qu’il existe deux sous-groupes, une avec des valeurs de torsion élevées et l’autre avec des valeurs basses. Ces deux sous-groupes possèdent des différences statistiquement significatives, notamment au niveau du rachis lombaire avec le groupe de torsion élevée ayant des valeurs d’orientation des plans de déformation maximales (PMC) en thoraco-lombaire (TLL) plus élevées. La dernière étude a évalué les résultats chirurgicaux de patients ayant une déformation Lenke 1 sous-classifiées selon les valeurs de torsion préalablement. Cette étude a pu démontrer des différences au niveau du PMC au niveau thoraco-lombaire avec des valeurs plus élevées en postopératoire chez les patients ayant une haute torsion. Ces études présentent une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique et présentent cet indice quantitativement. Elles ont démontré l’existence de sous-groupes 3D basés sur cet indice ayant une pertinence clinique dans la SIA, qui n’étaient pas identifiés auparavant. Ce projet contribue dans la tendance actuelle vers le développement d’indices 3D et de classifications 3D pour la scoliose idiopathique de l’adolescent.

O Japão na Amazônia: condicionantes para a fixação e mobilidade dos imigrantes japoneses (1929-2009)

Investiga a inserção dos imigrantes japoneses na Região Norte e as condicionantes que levaram a consolidação (fixação) das colônias agrícolas no estado do Pará e a dissolução (mobilidade) das colônias agrícolas de outros estados, tendo como foco da análise comparativa as colônias de Tomé-Açu (Pará) e do Amapá, a primeira considerada um caso de sucesso, enquanto que a segunda, o inverso. Para discussão foram abordadas as principais correntes teóricas das migrações, o panorama das migrações internacionais, a participação do Brasil e do Japão no contexto das grandes migrações internacionais e no contexto nacional. No âmbito local, discute algumas questões relacionadas às negociações entre o governo e as empresas promotoras das imigrações dirigidas que ocorreram nos estados do Amazonas, Pará e Amapá, as políticas públicas adotadas para fixação dos imigrantes antes e após a Segunda Guerra Mundial, os percalços das diferentes colônias japonesas que foram instaladas nos estados da Região Norte. A pesquisa fundamenta-se no referencial bibliográfico e nas entrevistas realizadas com os imigrantes. A partir da análise dos dados, conclui-se que o modelo de migração planejada, assentada em locais previamente selecionados pelos representantes japoneses no atual município de Tomé-Açu no início da migração (1929) e os sucessivos investimentos das empresas japonesas, e do governo japonês depois da Segunda Guerra Mundial, foram determinantes para a fixação desses imigrantes em Tomé-Açu. Enquanto que o modelo de migração dirigida (pós-Segunda Guerra Mundial) para as colônias do Amapá, sem o devido planejamento e pesquisa pelas autoridades competentes, dificultaram sobremaneira o plantio e o escoamento da produção, agravado pela incidência de doenças endêmicas que comprometeram a saúde e a vida dos imigrantes, fatores que contribuíram para a mobilização da maioria de imigrantes em busca de alternativas para a sua sobrevivência.

Educação do campo e currículo na Amazônia Paraense: o enfoque dado à diversidade sócio-territorial nas diretrizes curriculares da SEDUC/PA

O presente trabalho consiste em uma dissertação de mestrado em educação que possui como temática de investigação território, Educação do Campo e currículo na Amazônia Paraense. Aborda este tema por meio de uma investigação sobre as diretrizes curriculares atuais da Secretaria de Estado de Educação do Pará que possuem relação com a Educação do Campo, utilizando-se de uma abordagem territorial para analisar o enfoque dado aos aspectos da diversidade sócio-territorial do campo nessas diretrizes. Tem como objetivos específicos identificar os aspectos que permeiam a relação entre diversidade sócio-territorial do campo e currículo na Amazônia Paraense e analisar o enfoque dado a essa diversidade nas diretrizes da Secretaria de Educação do Estado do Pará. Metodologicamente utilizou-se da pesquisa documental. O material de análise da pesquisa são os documentos da Secretaria que contém as diretrizes curriculares que possuem relação com a Educação do Campo. O enfoque proporcionado à diversidade sócio-territorial nestas diretrizes ainda apresenta-se superficial e não garante uma problematização da realidade amazônica em meio a sua imensa e complexa diversidade. Espera-se que com estes resultados ocorra uma reformulação dessas diretrizes curriculares no sentido de adequá-las melhor às características singulares do território amazônico, na medida em que se propõe que a educação campo e seu currículo possuam um significado territorial.

Methodological improvement of 3D fluoroscopic analysis for the robust quantification of 3D kinematics of human joints

3D video-fluoroscopy is an accurate but cumbersome technique to estimate natural or prosthetic human joint kinematics. This dissertation proposes innovative methodologies to improve the 3D fluoroscopic analysis reliability and usability. Being based on direct radiographic imaging of the joint, and avoiding soft tissue artefact that limits the accuracy of skin marker based techniques, the fluoroscopic analysis has a potential accuracy of the order of mm/deg or better. It can provide fundamental informations for clinical and methodological applications, but, notwithstanding the number of methodological protocols proposed in the literature, time consuming user interaction is exploited to obtain consistent results. The user-dependency prevented a reliable quantification of the actual accuracy and precision of the methods, and, consequently, slowed down the translation to the clinical practice. The objective of the present work was to speed up this process introducing methodological improvements in the analysis. In the thesis, the fluoroscopic analysis was characterized in depth, in order to evaluate its pros and cons, and to provide reliable solutions to overcome its limitations. To this aim, an analytical approach was followed. The major sources of error were isolated with in-silico preliminary studies as: (a) geometric distortion and calibration errors, (b) 2D images and 3D models resolutions, (c) incorrect contour extraction, (d) bone model symmetries, (e) optimization algorithm limitations, (f) user errors. The effect of each criticality was quantified, and verified with an in-vivo preliminary study on the elbow joint. The dominant source of error was identified in the limited extent of the convergence domain for the local optimization algorithms, which forced the user to manually specify the starting pose for the estimating process. To solve this problem, two different approaches were followed: to increase the optimal pose convergence basin, the local approach used sequential alignments of the 6 degrees of freedom in order of sensitivity, or a geometrical feature-based estimation of the initial conditions for the optimization; the global approach used an unsupervised memetic algorithm to optimally explore the search domain. The performances of the technique were evaluated with a series of in-silico studies and validated in-vitro with a phantom based comparison with a radiostereometric gold-standard. The accuracy of the method is joint-dependent, and for the intact knee joint, the new unsupervised algorithm guaranteed a maximum error lower than 0.5 mm for in-plane translations, 10 mm for out-of-plane translation, and of 3 deg for rotations in a mono-planar setup; and lower than 0.5 mm for translations and 1 deg for rotations in a bi-planar setups. The bi-planar setup is best suited when accurate results are needed, such as for methodological research studies. The mono-planar analysis may be enough for clinical application when the analysis time and cost may be an issue. A further reduction of the user interaction was obtained for prosthetic joints kinematics. A mixed region-growing and level-set segmentation method was proposed and halved the analysis time, delegating the computational burden to the machine. In-silico and in-vivo studies demonstrated that the reliability of the new semiautomatic method was comparable to a user defined manual gold-standard. The improved fluoroscopic analysis was finally applied to a first in-vivo methodological study on the foot kinematics. Preliminary evaluations showed that the presented methodology represents a feasible gold-standard for the validation of skin marker based foot kinematics protocols.

Progress in x-ray spectroscopies for the study of advanced materials

This thesis work is focused on the use of selected core-level x-ray spectroscopies to study semiconductor materials of great technological interest and on the development of a new implementation of appearance potential spectroscopy. Core-level spectroscopies can be exploited to study these materials with a local approach since they are sensitive to the electronic structure localized on a chemical species present in the sample examined. This approach, in fact, provides important micro-structural information that is difficult to obtain with techniques sensitive to the average properties of materials. In this thesis work we present a novel approach to the study of semiconductors with core-level spectroscopies based on an original analysis procedure that leads to an insightful understanding of the correlation between the local micro-structure and the spectral features observed. In particular, we studied the micro-structure of Hydrogen induced defects in nitride semiconductors, since the analysed materials show substantial variations of optical and electronic properties as a consequence of H incorporation. Finally, we present a novel implementation of soft x-ray appearance potential spectroscopy, a core-level spectroscopy that uses electrons as a source of excitation and has the great advantage of being an in-house technique. The original set-up illustrated was designed to reach a high signal-to-noise ratio for the acquisition of good quality spectra that can then be analyzed in the framework of the real space full multiple scattering theory. This technique has never been coupled with this analysis approach and therefore our work unite a novel implementation with an original data analysis method, enlarging the field of application of this technique.

La formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera bonaerense. Chascomús y Junín, 1860-1890

En este trabajo nos proponemos analizar la formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera de la provincia de Buenos Aires entre 1860 y 1890, a partir de un enfoque local comparado, enfocando la investigación en dos partidos: Chascomús y Junín. Postulamos que la constitución del mercado de tierras en la campaña bonaerense fue un proceso gradual, que se inició apenas comenzaron a poblarse las tierras defendidas por los fuertes de la frontera interior y se establecían ciertas garantías de seguridad para la propiedad privada

La formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera bonaerense. Chascomús y Junín, 1860-1890

En este trabajo nos proponemos analizar la formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera de la provincia de Buenos Aires entre 1860 y 1890, a partir de un enfoque local comparado, enfocando la investigación en dos partidos: Chascomús y Junín. Postulamos que la constitución del mercado de tierras en la campaña bonaerense fue un proceso gradual, que se inició apenas comenzaron a poblarse las tierras defendidas por los fuertes de la frontera interior y se establecían ciertas garantías de seguridad para la propiedad privada

La formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera bonaerense. Chascomús y Junín, 1860-1890

En este trabajo nos proponemos analizar la formación del mercado de tierras durante la expansión de la frontera de la provincia de Buenos Aires entre 1860 y 1890, a partir de un enfoque local comparado, enfocando la investigación en dos partidos: Chascomús y Junín. Postulamos que la constitución del mercado de tierras en la campaña bonaerense fue un proceso gradual, que se inició apenas comenzaron a poblarse las tierras defendidas por los fuertes de la frontera interior y se establecían ciertas garantías de seguridad para la propiedad privada

Une nouvelle méthode pour estimer la torsion géométrique en scoliose idiopathique de l’adolescent

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Pour la plupart des patients atteints de SIA, aucun traitement chirurgical n’est nécessaire. Lorsque la déformation devient sévère, un traitement chirurgical visant à réduire la déformation est recommandé. Pour déterminer la sévérité de la SIA, l’imagerie la plus utilisée est une radiographie postéroantérieure (PA) ou antéro-postérieure (AP) du rachis. Plusieurs indices sont disponibles à partir de cette modalité d’imagerie afin de quantifier la déformation de la SIA, dont l’angle de Cobb. La conduite thérapeutique est généralement basée sur cet indice. Cependant, les indices disponibles à cette modalité d’imagerie sont de nature bidimensionnelle (2D). Celles-ci ne décrivent donc pas entièrement la déformation dans la SIA dû à sa nature tridimensionnelle (3D). Conséquemment, les classifications basées sur les indices 2D souffrent des mêmes limitations. Dans le but décrire la SIA en 3D, la torsion géométrique a été étudiée et proposée par Poncet et al. Celle-ci mesure la tendance d’une courbe tridimensionnelle à changer de direction. Cependant, la méthode proposée est susceptible aux erreurs de reconstructions 3D et elle est calculée localement au niveau vertébral. L’objectif de cette étude est d’évaluer une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique par l’approximation de longueurs d’arcs locaux et par paramétrisation de courbes dans la SIA. Une première étude visera à étudier la sensibilité de la nouvelle méthode présentée face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. Par la suite, deux études cliniques vont présenter la iv torsion géométrique comme indice global et viseront à démontrer l’existence de sous-groupes non-identifiés dans les classifications actuelles et que ceux-ci ont une pertinence clinique. La première étude a évalué la robustesse de la nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique chez un groupe de patient atteint de la SIA. Elle a démontré que la nouvelle technique est robuste face aux erreurs de reconstructions 3D du rachis. La deuxième étude a évalué la torsion géométrique utilisant cette nouvelle méthode dans une cohorte de patient avec des déformations de type Lenke 1. Elle a démontré qu’il existe deux sous-groupes, une avec des valeurs de torsion élevées et l’autre avec des valeurs basses. Ces deux sous-groupes possèdent des différences statistiquement significatives, notamment au niveau du rachis lombaire avec le groupe de torsion élevée ayant des valeurs d’orientation des plans de déformation maximales (PMC) en thoraco-lombaire (TLL) plus élevées. La dernière étude a évalué les résultats chirurgicaux de patients ayant une déformation Lenke 1 sous-classifiées selon les valeurs de torsion préalablement. Cette étude a pu démontrer des différences au niveau du PMC au niveau thoraco-lombaire avec des valeurs plus élevées en postopératoire chez les patients ayant une haute torsion. Ces études présentent une nouvelle méthode d’estimation de la torsion géométrique et présentent cet indice quantitativement. Elles ont démontré l’existence de sous-groupes 3D basés sur cet indice ayant une pertinence clinique dans la SIA, qui n’étaient pas identifiés auparavant. Ce projet contribue dans la tendance actuelle vers le développement d’indices 3D et de classifications 3D pour la scoliose idiopathique de l’adolescent.

Constructing a Canonical form of a Matrix in Several Problems about Combinatorial Designs

Partially supported by the Bulgarian Science Fund contract with TU Varna, No 487.