Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Criação de programa informático em ambiente Matlab® para estudo de estruturas planas pelo Método de Elementos Finitos.

Os modelos a ser analisados pelo Método de Elementos Finitos são cada vez mais complexos e, nos tempos que correm, seria impensável realizar tais análises sem um apoio computorizado. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura. Sob o pretexto de permitir a qualquer utilizador uma análise de estruturas simples com o Método dos Elementos Finitos, surge esta tese, onde se irá criar de raiz um programa com interface gráfica no ambiente MATLAB® para análise de estruturas simples com dois tipos de elemento finito, triangular de deformação constante e quadrangular de deformação linear. O software desenvolvido, verificado por comparação com um software comercial dedicado para o efeito, efetua malhagem com elementos bidimensionais triangulares e quadriláteros e resolve modelos arbitrados pelo Método de Elementos Finitos, representando estes resultados visualmente e em formato tabular.

NURBS toolbox for Matlab

NURBS are widely used parametric approximation curves or surfaces. NURBS can be applied to the many applications. Examples of these applications are some computeraided design applications and some medical applications. Use of NURBS is very intuitive. The objective of this work was to implement the NURBS toolbox in the Matlab environment. Matlab is a program for many kinds of computational purposes. Matlab is also a programming language. NURBS toolbox implemented in this work offers a user an opportunity to use functions of this toolbox as parts of the user’s own programs. Current version of NURBS toolbox includes functions for NURBS curve and surface evaluation. The toolbox is designed such, that it allows extensions and enhancements in the future.

Análisis de bocinas en MatLab

El presente proyecto parte de un programa utilizado en las prácticas de laboratorio en la asignatura Antenas y Compatibilidad Electromagnética del sexto semestre llamado SABOR, que pretende ser actualizado para que en las nuevas versiones de los sistemas operativos ofrecidos por la compañía Windows pueda ser operativo. El objetivo principal será diseñar e implementar nuevas funcionalidades así como desarrollar mejoras y corregir errores del mismo. Para su mejor entendimiento se ha creado una herramienta en entorno MATLAB para analizar uno de los tipos más comunes de Apertura que se utilizan actualmente, las bocinas. Dicha herramienta es una interfaz gráfica que tiene como entradas las variables elementales de diseño de la apertura como por ejemplo: dimensiones de la propia bocina o los parámetros generales comunes a todas ellas. A su vez, el software nos genera algunos de los parámetros de salida fundamentales de las antenas: Directividad, Ancho de haz, Centro de fase y Spillover. Para el correcto desarrollo del software se ha realizado numerosas pruebas con el fin de depurar y corregir errores con respecto a la anterior versión del SABOR. Por otra parte se ha hecho también hincapié en la funcionalidad del programa para que sea más intuitivo y evitar complejidades. El tipo de antena que se pretende estudiar es la bocina que consiste en una guía de onda en la cual el área de la sección se va incrementando progresivamente hasta un extremo abierto, que se comporta como una apertura. Se utilizan extensamente en satélites comerciales para coberturas globales desde órbitas geoestacionarias, pero el uso más común es como elemento de radiación para reflectores de antenas. Los tipos de bocinas que se van a examinar en la herramienta son: Sectorial H, Sectorial E, Piramidal, Cónica, Cónica Corrugada y Piramidal Corrugada. El proyecto está desarrollado de manera que pueda servir de información teórico-práctico de todo el software SABOR. Por ello, el documento además de revisar la teoría de las bocinas analizadas, mostrará la información relacionada con la programación orientado a objetos en entorno MATLAB cuyo objetivo propio es adquirir una nueva forma de pensamiento acerca del proceso de descomposición de problemas y desarrollo de soluciones de programación. Finalmente se ha creado un manual de autoayuda para dar soporte al software y se han incluido los resultados de diversas pruebas realizadas para poder observar todos los detalles de su funcionamiento, así como las conclusiones y líneas futuras de acción. ABSTRACT This Project comes from a program used in the labs of the subject Antennas and Electromagnetic Compatibility in the sixth semester called SABOR, which aims to be updated in order to any type of computer running a Windows operating systems(Windows 7 and subsequent versions). The main objectives are design and improve existing functionalities and develop new features. In addition, we will correct mistakes in earlier versions. For a better understanding a new custom tool using MATLAB environment has been created to analyze one of the most common types of apertura antenna which is used for the moment, horns. This tool is a graphical interface that has elementary design variables as a inputs, for example: Dimensions of the own horn or common general parameters of all horns. At the same time, the software generate us some of the fundamental parameters of antennas output like Directivity, Beamwidth, Phase centre and Spillover. This software has been performed numerous tests for the proper functioning of the Software and we have been cared in order to debug and correct errors that were detected in earlier versions of SABOR. In addition, it has also been emphasized the program's functionality in order to be more intuitive and avoiding unnecessary barriers or complexities. The type of antenna that we are going to study is the horn which consists of a waveguides which the section area has been gradually increasing to an open-ended, that behaves as an aperture. It is widely used in comercial satellites for global coverage from geostationary orbits. However, the most common use is radiating element for antenna reflectors. The types of horns which is going to be considered are: Rectangular H-plane sectorial, Rectangular E-plane sectorial, Rectangular Pyramidal, Circular, Corrugated Circular and Corrugated Pyramidal. The Project is developed so that it can be used as practical-theorical information around the SABOR software. Therefore, In addition to thoroughly reviewing the theory document of analyzed horns, it display information related to the object-oriented programming in MATLAB environment whose goal leads us to a new way of thinking about the process of decomposition of problems and solutions development programming. Finally, it has been created a self-help manual in order to support the software and has been included the results of different tests to observe all the details of their operations, as well as the conclusions and future action lines.

Reactive power compensation by EPSO technique

This paper presents a methodology to address reactive power compensation using Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO) technique programmed in the MATLAB environment. The main objective is to find the best operation point minimizing power losses with reactive power compensation, subjected to all operational constraints, namely full AC power flow equations, active and reactive power generation constraints. The methodology has been tested with the IEEE 14 bus test system demonstrating the ability and effectiveness of the proposed approach to handle the reactive power compensation problem.

Modelo de previsão meteorológica baseado em sistemas de inferência difusa

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A toolbox for hyperspectral image analysis

This paper introduces a new toolbox for hyperspectral imagery, developed under the MATLAB environment. This toolbox provides easy access to different supervised and unsupervised classification methods. This new application is also versatile and fully dynamic since the user can embody their own methods, that can be reused and shared. This toolbox, while extends the potentiality of MATLAB environment, it also provides a user-friendly platform to assess the results of different methodologies. In this paper it is also presented, under the new application, a study of several different supervised and unsupervised classification methods on real hyperspectral data.

Análise do sinal cardíaco ECG através da técnica SVD

Este trabalho surge no âmbito da área Electromedicina, uma componente da Engenharia Electrotécnica cada vez mais influente e em permanente desenvolvimento, existindo nela uma constante inovação e tentativa de desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias. Este projecto possui como principal objectivo o estudo aprofundado das aplicações da técnica SVD (Singular Value Decomposition), uma poderosa ferramenta matemática que permite a manipulação de sinais através da decomposição de matrizes, ao caso específico do sinal eléctrico obtido através de um electrocardiograma (ECG). Serão discriminados os princípios da operação do sistema eléctrico cardíaco, as principais componentes do sinal ECG (a onda P, o complexo QRS e a onda T) e os fundamentos da técnica SVD. A última fase deste trabalho consistirá na aplicação, em ambiente Matlab, da técnica SVD a sinais ECG concretos, com enfase na sua filtragem, para efeitos de remoção de ruído. De modo verificar as suas vantagens e desvantagens face a outras técnicas, os resultados da filtragem por SVD serão comparados com aqueles obtidos, em condições similares, através da aplicação de um filtro FIR de coeficientes estáticos e de um filtro adaptativo iterativo.

Design of New Materials for Passive Vibration Control

The aim of this contribution is to extend the techniques of composite materials design to non-linear material behaviour and apply it for design of new materials for passive vibration control. As a first step a computational tool allowing determination of macroscopic optimized one-dimensional isolator behaviour was developed. Voigt, Maxwell, standard and more complex material models can be implemented. Objective function considers minimization of the initial reaction and/or displacement peak as well as minimization of the steady-state amplitude of reaction and/or displacement. The complex stiffness approach is used to formulate the governing equations in an efficient way. Material stiffness parameters are assumed as non-linear functions of the displacement. The numerical solution is performed in the complex space. The steady-state solution in the complex space is obtained by an iterative process based on the shooting method which imposes the conditions of periodicity with respect to the known value of the period. Extension of the shooting method to the complex space is presented and verified. Non-linear behaviour of material parameters is then optimized by generic probabilistic meta-algorithm, simulated annealing. Dependence of the global optimum on several combinations of leading parameters of the simulated annealing procedure, like neighbourhood definition and annealing schedule, is also studied and analyzed. Procedure is programmed in MATLAB environment.

Predictive analytical and numerical modeling for orthogonal cutting

In this thesis, a predictive analytical and numerical modeling approach for the orthogonal cutting process is proposed to calculate temperature distributions and subsequently, forces and stress distributions. The models proposed include a constitutive model for the material being cut based on the work of Weber, a model for the shear plane based on Merchants model, a model describing the contribution of friction based on Zorev’s approach, a model for the effect of wear on the tool based on the work of Waldorf, and a thermal model based on the works of Komanduri and Hou, with a fraction heat partition for a non-uniform distribution of the heat in the interfaces, but extended to encompass a set of contributions to the global temperature rise of chip, tool and work piece. The models proposed in this work, try to avoid from experimental based values or expressions, and simplifying assumptions or suppositions, as much as possible. On a thermo-physical point of view, the results were affected not only by the mechanical or cutting parameters chosen, but also by their coupling effects, instead of the simplifying way of modeling which is to contemplate only the direct effect of the variation of a parameter. The implementation of these models was performed using the MATLAB environment. Since it was possible to find in the literature all the parameters for AISI 1045 and AISI O2, these materials were used to run the simulations in order to avoid arbitrary assumption.

A new competitive implementation of the electromagnetism-like algorithm for global optimization

The Electromagnetism-like (EM) algorithm is a population- based stochastic global optimization algorithm that uses an attraction- repulsion mechanism to move sample points towards the optimal. In this paper, an implementation of the EM algorithm in the Matlab en- vironment as a useful function for practitioners and for those who want to experiment a new global optimization solver is proposed. A set of benchmark problems are solved in order to evaluate the performance of the implemented method when compared with other stochastic methods available in the Matlab environment. The results con rm that our imple- mentation is a competitive alternative both in term of numerical results and performance. Finally, a case study based on a parameter estimation problem of a biology system shows that the EM implementation could be applied with promising results in the control optimization area.

Paperikoneen lajinvaihdon säätötapojen vertailu

Työn tavoitteena oli vertailla paperikoneen lajinvaihdon säätötapoja. Vertailun kohteina olivat Metso Automationin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmisto ja operaattoreiden käsin tekemät lajinvaihdot. Kattavan tutkimusaineiston saamiseksi paperikoneen lajinvaihtodataa kerättiin seitsemän kuukauden ajan. Kerätyt lajinvaihdot käytiin läpi Matlab-ympäristössä lajinvaihtoaikojen selvittämiseksi. Lisäksi lajinvaihdoista laskettiin tuotannon muutokset ((t/h)/min) vanhan ja uudenlajin välillä, jotta päästiin selvyyteen lajinvaihdon laajuudesta ja eri lajinvaihtotapojen suorituskyvyistä. Koeajojaksona paperikoneelta kerättiin kaikkiaan 130 lajinvaihdon tiedot. Näistä lajinvaihdoista 58 tehtiin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmistolla ja 72 oli operaattoreiden käsin tekemiä lajinvaihtoja. Kerätyistä 130 lajinvaihdosta 27 kappaletta päättyi ratakatkoon. Yhtenä tehtävänä olikin tutkia katkoon päättyneitä lajinvaihtoja.

Kohinan poisto spektrikuvista pehmeillä morfologisilla suodattimilla

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia kohinan poistoa spektrikuvista käyttäen pehmeitä morfologisia suodattimia. Työssä painotettiin impulssimaisen kohinan suodattamista. Suodattimien toimintaa arvioitiin numeerisesti keskimääräisen itseisarvovirheen, neliövirheen sekä signaali-kohinasuhteen avulla ja visuaalisesti tarkastelemalla suodatettuja kuvia sekä niiden yksittäisiä spektritasoja. Käytettyjä suodatusmenetelmiä olivat suodatus kuvapisteittäin spektrin suunnassa, suodatus koko spektrissä sekä kuutiomenetelmä ja komponenteittainen suodatus. Suodatettavat kuvat sisälsivät joko suola ja pippuri- tai bittivirhekohinaa. Parhaimmat suodatustulokset sekä numeeristen virhekriteerien että visuaalisen tarkastelun perusteella saatiin komponenteittaisella sekä kuvapisteittäisellä menetelmällä. Työssä käytetyt menetelmät on esitetty algoritmimuodossa. Suodatinalgoritmien toteutukset ja suodatuskokeet tehtiin Matlab-ohjelmistolla.

LVDC power distribution system: computational modelling

In the doctoral dissertation, low-voltage direct current (LVDC) distribution system stability, supply security and power quality are evaluated by computational modelling and measurements on an LVDC research platform. Computational models for the LVDC network analysis are developed. Time-domain simulation models are implemented in the time-domain simulation environment PSCAD/EMTDC. The PSCAD/EMTDC models of the LVDC network are applied to the transient behaviour and power quality studies. The LVDC network power loss model is developed in a MATLAB environment and is capable of fast estimation of the network and component power losses. The model integrates analytical equations that describe the power loss mechanism of the network components with power flow calculations. For an LVDC network research platform, a monitoring and control software solution is developed. The solution is used to deliver measurement data for verification of the developed models and analysis of the modelling results. In the work, the power loss mechanism of the LVDC network components and its main dependencies are described. Energy loss distribution of the LVDC network components is presented. Power quality measurements and current spectra are provided and harmonic pollution on the DC network is analysed. The transient behaviour of the network is verified through time-domain simulations. DC capacitor guidelines for an LVDC power distribution network are introduced. The power loss analysis results show that one of the main optimisation targets for an LVDC power distribution network should be reduction of the no-load losses and efficiency improvement of converters at partial loads. Low-frequency spectra of the network voltages and currents are shown, and harmonic propagation is analysed. Power quality in the LVDC network point of common coupling (PCC) is discussed. Power quality standard requirements are shown to be met by the LVDC network. The network behaviour during transients is analysed by time-domain simulations. The network is shown to be transient stable during large-scale disturbances. Measurement results on the LVDC research platform proving this are presented in the work.

Tasaisemmin jakaantuneen CIELAB-tyyppisen väriavaruuden määrittäminen värieroellipsien pääakselien eroja minimoimalla

Tässä työssä johdetaan lineaarimuunnoksella CIE x y z-värinsovitusfunktioista uudet värinsovitusfunktiot. Tarvittava muunnosmatriisi etsitään optimoimalla CIE ja BFD-RIT värieroellipsejä Matlab-ympäristössä. Työn tuloksena saatiin muunnosmatriisi, ja sillä muunnetut uudet värinsovitusfunktiot ja CIELAB-tyyppinen väriavaruus. Euklidisella etäisyydellä mitattuna CIE ja BFD-RIT värieroellipsien muoto ja koko paranivat noin kolmanneksen, mikä oli myös tavoitteena.