Tesis (Ingeniería Mecánica y Fabricación)

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Formability and failure of polymeric sheets: experimental assessment and medical applications
(2023-06-02) Rosa-Sainz, Ana; Centeno Báez, Gabriel; Silva, María Beatriz; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Durante las últimas décadas, el paradigma de la Industria 4.0, que se dirige hacía procesos flexibles, de baja-media producción, y orientados hacía la personalización del producto, ha provocado grandes cambios en los procesos de fabricación, ejemplo de esta evolución es el avance que ha tenido la fabricación aditiva en los últimos años. Otro claro ejemplo de esta evolución se ha visto en el proceso denominado conformado incremental mono-punto o SPIF (por sus siglas en inglés), que permite gran flexibilidad de proceso, ahorro de utillaje y permite la fabricación de productos customizados. Recientemente, la aplicación de SPIF a materiales poliméricos se ha visto incrementada, debido a que además de las ventajas del proceso mencionadas anteriormente, se han realizado verificaciones experimentales de que las deformaciones alcanzadas mediante SPIF se encuentran por encima de la curva límite de conformado por estricción o FLC (por sus siglas en inglés), sin fallo. Sin embargo, cabe señalar que en el caso de las láminas poliméricas no existe un procedimiento sistemático para construir el diagrama límite de conformado o FLD como está bien definido para chapa metálica. En este contexto, la primera parte de esta tesis doctoral tiene el objetivo de proporcionar procedimientos para obtener la curva límite de conformado por estricción (FLC por sus siglas en inglés) y por fractura en modo I de mecánica de fractura (FFL por su siglas en inglés), y con ello, obtener el diagrama límite de conformado (FLD) de materiales poliméricos. Las láminas poliméricas escogidas fueron tres polímeros termoplásticos ampliamente utilizados: policarbonato (PC por sus siglas en inglés), polietileno de alto peso molecular (UHMWPE por sus siglas en inglés) y polieteretercetona (PEEK por sus siglas en inglés). Por otro lado, esta tesis doctoral establece un marco de estudio de distintos parámetros de proceso en SPIF, con el objetivo de asentar una base experimental sobre la afectabilidad de estos parámetros de proceso a los tres materiales poliméricos mencionados anteriormente. El estudio se realiza en términos de deformaciones dentro del diagrama límite de conformado de cada material polimérico obtenido independientemente mediante procesos convencionales. La tercera parte de esta tesis aborda la fabricación de aplicaciones médicas mediante los dos polímeros biocompatibles, UHMWPE and PEEK, con el objetivo de demostrar factibilidad de fabricar mediante SPIF implantes médicos a temperatura ambiente.
A Novel Synergy-Based Approach for the Design of Cable-Driven Exosuits for Walking Assistance
(2022-11-02) Rodríguez Jorge, Daniel; Alonso Sánchez, Francisco Javier; Herrera Navarro, Ignacio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
The growing tendency of worldwide societies, but particularly in the West, to aging leads to a growing number of individuals that might require any kind of walking assistance. Life expectancy in Spain, for instance, has doubled in barely four generations. As such, there exist numerous solutions, among which exoskeletons must be highlighted as wearable devices with rigid elements that assist, generally driven by motors, human gait in any way. As an alternative to these devices, a new variant, much lighter and cheaper for the user has been proposed: wearable exoskeletons, or exosuits. They, made only of textile elements aside from the actuation system, offer a more comfortable and economic solution to those who can walk, but need an assistive device or, alternatively, wish to increase their motion capabilities: the lack of rigid elements forces the subject to sustain themselves, yet at the same time does not restrict or impede their natural gait in any way. A common variety of exosuits consists of an actuation system, including the motors and the power transmission system, generally included in a backpack and transmitting force via cables anchored to the joints in the so-called anchor points, in most cases textile elements located at the joints that will be actuated. A motor might be required for each target joint and leg: if all hip, knee, and ankle are to be actuated, six motors will be required, which will be the main contributors to the overall system weight and price. This work arises from the need of reducing such weight and price, as well as increasing the wearability of walking-assistance exosuits. The document focuses on the development of a new design approach for exosuits that allows a heavy reduction in the number of actuators required to provide the desired assistance and, thus, offers a much more affordable solution, at the reach of many more potential users. The thesis is, thus, supported by two main cornerstones. On one side, the development of an inverse-dynamics model capable of predicting the forces and torques to be produced by the system to assist human gait, establishing a base for the system design and for its control. On the other side, stands the detailed description of the novel design approach that provides the desired improvements, serving as a guide for future exosuit designs for the lower limb. The latter is where lies the main contribution of this work, which will try to improve current technology with regards to cost and weight: the mechanical design based on synergies. Statistical analysis of human gait demonstrates a rather evident fact: as opposed to other movements, such as grasping an object or holding it, walking has a cyclic nature and presents clear similarities between several of its parameters. A kinematic study performed on the joint flexion-extension angles for hip, knee, and ankle, among others, yields a notable degree of similarity between them. The same happens in the cable forces during gait required to provide a certain fraction of the total joint torque, or in the cable extensions themselves. These similarities make it possible to approach, by statistical means, a dimensionality reduction problem while keeping a high degree of correspondence with the original variables. In other words, the number of required actuation curves, thus the number of required motors, can be significantly reduced, as much as the problem's dimensions. Therefore, a design allowing the actuation of six simultaneous degrees of freedom (up to three joints per leg) has been proposed with only one motor. All of it leads to the main contribution of the work to the current walking-assistance exosuits design: the detailed, rigorous, and mathematical description of a novel method of design targeting the significant reduction in the weight and price of these devices, while also improving their wearability and making them more accessible.
Mechanobiology of bone regeneration: distraction osteogenesis and tissue engineering
(2022-10-21) Blázquez Carmona, Pablo; Domínguez Abascal, Jaime; Reina Romo, Esther; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Bone regeneration is the natural process of bone reconstruction during the continuous adult remodeling, fracture healing, or complex clinical treatments of bone defects. In this biological problem, the role of engineering is essential for several aspects, including the control of the callus mechanical environment, predicting the complex mineralization phenomena, or designing materials and structures to optimize angiogenesis. The aim of this thesis is to find mechanical solutions to current challenging limitations in this field: the current mechanical incompatibility between brittle implants and external fixations in load-bearing models; the insufficient knowledge of the surrounding soft tissues’ mechanics during the elongation; the lack of understanding of the mechanical environment that promotes mineralization; or the need of quantitative tools for better clinical control of the processes. Distraction osteogenesis and tissue engineering experiments were carried out on merino sheep. A flexible Ilizarov-type external fixator was initially implanted in their right-back metatarsus. The distraction group underwent an osteotomy in a middle cross-section of the bone that, after a latency period of 7 days, was elongated to a final length of 15 mm (distraction rate of 1 mm/day). By cons, the tissue engineering group had 15 mm of bone directly replaced with a porous bioceramic scaffold biologically enhanced with cancellous bone autograft. Animals were slaughtered at different time-points of the consolidation phase. Before surgeries, an instrumented external fixator was devised to control bone formation through mechanical parameters indirectly. By working with a low-cost and size-optimized real-time wireless acquisition system, they reported promising results in estimating callus forces and stiffening. The resulting versatile system offers mechanobiological comparisons of the evolutions of different treatments. Concerning the scaffold design, a standardized optimization problem was defined and applied to optimize their inner architecture by covering biological parameters (porosity, pore size, and surface area) and mechanical constraints to ensure its structural integrity in vivo. During the distraction phase, higher viscoelastic forces with a similar relaxation rate were quantified compared to other distraction processes without limb elongation. After applying rheological models to the raw data, the mechano-structural changes suffered by this bone callus and its surrounding soft tissues were estimated. The contribution of these tissues to the distraction forces was limited to elongations above 4% of the original length when anatomical changes were evidenced. Likewise, the quantified elastic callus stiffening was mathematically modeled to elucidate the mechano-structural phenomena behind the callus accommodation-to-mineralization. It was based on ex vivo confocal imaging data applied to non-mineralized callus samples. The continuous collagen reorientation, densification and maturation seemed to control this problem. In the consolidation stage, several in vivo monitoring techniques were employed to build an exhaustive comparison between processes: gait analysis, internal force distribution, callus stiffening, x-rays, and CT imaging. All the parameters analyzed tended to healthy values in both groups but at different rates. In the short-term, the bone callus recovered its loading capacity and it exponentially increased its stiffness, being faster in the tissue engineering group. The healthy callus mineral density and limb bearing capacity were reached around 5-6 months after surgery. However, the recovery time of this last parameter seems to have been influenced by the walking conditions acquired by the animals due to pain and low confidence in the treated limb in the early stages. Finally, both the apparent geometry of the callus and its trabecular microstructure seemed to recover in the long remodeling phase.
Stretch and shrink flanging of AA2024-T3 sheet by single point incremental forming
(2021-10-07) López Fernández, José Andrés; Centeno Báez, Gabriel; Vallellano Martín, Carpóforo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Flanging is a forming process widely used to increase the sti ness of sheet parts in industrial applications such as the production of aircraft and automobile components. Flanges are usually formed by rubber forming or using a punch and a die, as these processes are fast and economical for producing a large number of parts. However, there is increasing interest in the manufacturing of anges using nonconventional processes, such as single point incremental forming (SPIF), that allow cost savings due to their exibility and low tooling. This thesis studies the manufacturing of open stretch and shrink anges of AA2024-T3 sheets by SPIF for a wide range of process parameters, including the ange principal radius, spindle speed and tool diameter. In this context, an experimental campaign was performed for each type of ange, classifying the principal modes of failure in the sheet and assessing its formability within the forming limit diagram (FLD). For stretch anging, FE modelling in combination with a theoretical framework based on Barlat's 89 anisotropic yield criterion was used to evaluate the formability in the stress triaxiality space. The fracture forming limit (FFL) obtained for proportional loading and the evolution of the anges were compared in the average stress triaxiality versus equivalent strain space, showing that this space might be the most appropriate for making failure predictions in SPIF. A geometry analysis of shrink anges obtained by SPIF was carried out to evaluate their formability in terms of their tendency to develop wrinkling. The elastic recovery in successful and failed is also studied. Finally, a new approach based on the analysis of compression stresses was proposed to predict the onset of failure in this type of ange. In this regard, it was shown that there exists a stress limit at which the anges analysed fail by wrinkling.
Fast-Ion Transport and Acceleration Induced by Edge Localized Modes in MAST Upgrade and ASDEX Upgrade
(2021-07-16) Rivero Rodríguez, Juan Francisco; García Vallejo, Daniel; García Muñoz, Manuel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación; Universidad de Sevilla. Departamento Física Atómica, Molecular y Nuclear
La fusión nuclear se esboza como una fuente de energía sostenible, de bajas emisiones y que aportará potencia de base al mix eléctrico. Los tokamaks son los dispositivos más avanzados para la obtención de energía mediante fusión nuclear y operan en condiciones cercanas a las de las futuras centrales nucleares. Hoy en día, los tokamaks existentes tienen como objetivo resolver los desafíos científicos y técnicos que plantean las futuras plantas de fusión nuclear. En los tokamaks, los iones rápidos, -- aquellos iones cuya energía es superior a la del resto del volumen de plasma --, se emplean para aumentar la temperatura del plasma hasta energías donde la fusión se hace patente. Los iones rápidos pueden perder el confinamiento debido a interacciones con perturbaciones electromagnéticas de diversa naturaleza, siendo esto un riesgo para el rendimiento del plasma y para la integridad del reactor. En el modo de operación de alto confinamiento, conocido por H-mode, aparecen de forma repetitiva inestabilidades magnetohidrodinámicas (MHD) explosivas localizadas en el borde, conocidas como Edge Localized Modes (ELMs). Los ELMs liberan una gran cantidad de energía y momento hacia las paredes del plasma, cuyo efecto se estima intolerable en futuros tokamaks. Además, investigaciones recientes en el tokamak ASDEX Upgrade han observado un aumento en las pérdidas de iones rápidos a energías por encima de su energía de inyección, que aparecen relacionadas con la actividad de los ELMs. Estas observaciones sugieren que existe una interacción entre los ELMs y los iones rápidos, que resulta en la aceleración y pérdida de estos últimos. Este trabajo tiene como objetivo de estudio las pérdidas de iones rápidos inducidos por ELMs. Para conseguir este objetivo, la tesis ha abarcado el desarrollo de herramientas numéricas y el diseño de diagnósticos experimentales. En el aspecto numérico, se han utilizado códigos de seguimiento de órbitas como ASCOT5 y se han implementado perturbaciones electromagnéticas 3D que evolucionan en el tiempo. Esto ha permitido investigar los principales mecanismos de transporte y aceleración planteados para esclarecer la pérdida de iones rápidos inducida por ELMs. En el ámbito experimental, durante esta tesis se ha diseñado el primer detector de pérdidas de iones rápidos (FILD) en el tokamak esférico MAST-U. El diagnóstico está montado sobre un mecanismo de rotación y traslación que permite adaptar la sonda a diferentes orientaciones [0o, 90o] y posiciones radiales [1.40 m, 1.60 m]. Los primeros datos experimentales del FILD de MAST-U se esperaban obtener a lo largo de esta tesis. Sin embargo, distintos retrasos en el comienzo de la campaña experimental de MAST-U han impedido poner el diagnóstico en funcionamiento. Por este motivo, los planes experimentales y numéricos han tenido que seguir distintos planteamientos. Los experimentos, que se han realizado en ASDEX Upgrade, han tenido como objetivo expandir el alcance de las observaciones de pérdida de iones rápidos inducidas por ELMs, llevando a cabo nuevos rastreos para detectar los parámetros que más afectan en la interacción entre los iones rápidos y los ELMs. Con respecto al modelado, se busca realizar un modelado que permita reproducir las principales observaciones experimentales en ASDEX Upgrade y revele los mecanismos básicos de transporte y aceleración de iones rápidos durante los ELMs. Además, el modelado en MAST-U ha permitido preveer la señal de FILD, que se ha podido comparar con la señal en ASDEX Upgrade.
Nuevo método de medición de geometría de la vía con un sistema embarcado en un vehículo comercial
(2021-06-07) Briales Palacios, Eduardo; Escalona Franco, José Luis; Valverde García, Juan Sebastián; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación; Universidad de Sevilla. Departamento de Matemática Aplicada II (ETSI)
Esta Tesis presenta la utilización de un conjunto de sensores inerciales, sistemas de visión artificial y un sistema de odometría para obtener las irregularidades de alta longitud de onda de la geometría de una vía ferroviaria (ancho de vía, peralte, alineación y nivelación) a partir de datos adquiridos desde un equipo compacto embarcado en un vehículo ferroviario comercial. La variedad de sensores utilizados convierte esta Tesis en un desarrollo multidisciplinar: se plantea como base la cinemática de sistemas multicuerpo para integrar los diferentes resultados de visión artificial, datos de la geometría ideal, algoritmos de fusión de sensores y un sistema de odometría preciso con el objetivo último de reconstruir la geometría de la vía. Cada vez es más frecuente encontrarse con medios de transporte sobrecargados debido al creciente número de desplazamientos de personas que se producen de manera diaria en ciertos núcleos urbanos, y en particular en las grandes ciudades, a lo largo de todo el mundo. Se tiende entonces al transporte público para descongestionar las vías principales, siendo uno de los medios de transportes urbanos más frecuentados el transporte ferroviario. Esta tendencia ocasiona que los operadores y mantenedores de instalaciones ferroviarias deban incrementar la disponibilidad de sus servicios mientras que controlan los costes de operación y mantenimiento, misión cada vez más difícil. El sistema y la metodología que se presenta en este documento busca ayudar a los operadores y mantenedores ferroviarios a reducir los costes de operación y mantenimiento mediante la aplicación de la tecnología que se desarrolla en esta Tesis a la inspección y medición de vías. Aún en la actualidad, la inspección de los carriles sigue siendo un reto. Las opciones disponibles son muy costosas (trenes laboratorio) o excesivamente invasivas, lentas al medir (carros auscultadores). Esto deriva en un número de inspecciones de la vía poco frecuente. Al no realizarse mediciones con suficiente frecuencia, es difícil elaborar modelos de evolución del daño de la vía precisos, lo que finalmente imposibilita la implementación de la gestión preventiva del mantenimiento que ha ido incrementando su popularidad en numerosas industrias en los últimos años. Metro de Sevilla permitió el uso de sus instalaciones para desarrollar diferentes experimentos para medir la longitud total de sus instalaciones (36 km de vía) y comparar los resultados del sistema embarcado (medidas propuestas) con aquellas obtenidas con un carro auscultador (medida de referencia). Una vez se realizaron estas mediciones, la comparativa entre medida propuesta y de referencia se utiliza para validar la nueva metodología mostrada en este documento. Gracias al buen acuerdo que se consigue como resultado se sientan las bases de un cambio importante en los modelos de mantenimiento ferroviario de vías actuales.
Materiales sinterizados de aluminio aleado mecánicamente
(2002-09) Fuentes, José Jesús; Herrera Luque, Enrique J.; Rodríguez-Ortiz, José Antonio; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Se ha llevado a cabo un estudio experimental encaminado a conseguir la consolidación de polvo de aluminio aleado mecánicamente (AL AM) mediante un proceso original de prensado en frío y sinterización al vacío. A este fin, se ha mejorado la comprensibilidad del polvo de AL AM por ablandamiento, conseguido por tratamiento térmico de recocido en vacío, así como su sinterabilidad, por adición de pequeñas cantidades de polvo de silicio, cobre o magnesio, respectivamente, previamente al procesado de consolidación. Los aditivos empleados facilitan la sinterización por formación de fases líquidas durante el calentamiento. Los resultados obtenidos son muy prometedores, respecto a la posibilidad de fabricar industrialmente grandes series de piezas pequeñas de este material por un procedimiento de prensado en frío y sinterización.
Paliativo frente a la fatiga por fretting y análisis del proceso de fatiga en cordones metálicos
(2019) Erena Guardia, Diego; Vázquez Valeo, Jesús; Navarro Pintado, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
El fallo de cables de acero es comúnmente producido por el fenómeno de la fatiga. Para analizar el fallo por fatiga en este tipo de elementos, un nuevo equipo de ensayos ha sido diseñado, fabricado y validado. Uno de los principales aspectos de este nuevo útil de ensayos, es la capacidad de aplicar al cable tanto cargas axiales como de flexión simultáneamente. Además, ambas cargas pueden ser estáticas o variables con el tiempo. El primero de los objetivos fue evitar el fallo del cable en la zona de sujeción, y de este modo producir el fallo debido únicamente a las tensiones globales producidas por las fuerzas externas aplicadas y las tensiones inducidas por el contacto entre hilos. Durante el desarrollo de este primer objetivo y tras el análisis numérico de diferentes tipos de elementos de sujeción para evitar fretting en los mismos, surge la idea de un nuevo concepto de paliativo, extensible al fenómeno de la fatiga por fretting en general. La idea básica consiste en realizar orificios debajo de las superficies en contacto y cerca de las zonas en las que se inician las grietas por fretting. Con la introducción de dichos orificios se consigue que la distribución de presiones sea menor en los bordes de contacto y también la tensión axial que provoca la iniciación de grietas. En base a ello se realiza un trabajo complementario, en el que se analiza el efecto producido por estos orificios en un par de contacto básico, como es el contacto cilíndrico. Los análisis numéricos con este tipo de geometrías producen resultados muy satisfactorios que marcan una guía para el uso de un nuevo tipo de paliativo frente al fretting. El segundo de los objetivos, y volviendo al análisis de la rotura en cables de acero, es diseñar un equipo de ensayos versátil, de forma que sea posible ensayar diferentes combinaciones de cargas, así como diferentes configuraciones de cables. El tipo de fallo esperado, será producido por una combinación de tensiones globales (axiales y de flexión) y de contacto, dependiendo fuertemente del tipo de configuración del cable ensayado y por tanto del tipo de contacto. Una vez diseñado el equipo se realiza una amplia batería de ensayos con la configuración de cables más básica de las comúnmente empleadas, un cordón de x acero inoxidable de siete hilos. El cordón ha sido sometido a diversas combinaciones de fuerzas axiales y de flexión. Una vez llevados a cabo los ensayos de fatiga, y con el objetivo de analizar las zonas de iniciación de grietas, así como su propagación y determinar el fenómeno que provoca el fallo, las superficies de fractura de los cables ensayados fueron analizadas mediante microscopia electrónica. Debido al tamaño de los hilos que conforman el cordón ensayado, la medición de tensiones y deformaciones in situ es compleja o casi imposible. Por ello y con el objetivo de conocer los campos de tensiones y deformaciones que aparecen en el cordón, se han realizado diversas simulaciones numéricas mediante dos modelos de elementos finitos de formulación implícita. Un primer modelo complejo en el que se ha modelado un cordón completo con el objetivo de reproducir fielmente los ensayos llevados a cabo y un segundo modelo simplificado realizado con el objetivo de una aplicación rápida y práctica. Por último, se han aplicado diversos métodos de predicción de vida a fatiga en función de los resultados experimentales y numéricos obtenidos. En base a ambos resultados se llega a la conclusión que, debido a la geometría de cordón empleada, y por tanto al tipo de contacto que de forma inherente aparece entre hilos, el fallo es producido debido a las tensiones globales aplicadas al cordón y no al fenómeno de fretting, que aunque también se observa en el contacto entre hilos, no es determinante. En base a estos resultados se concluye con un método simple, pero efectivo, para la predicción a fatiga de cordones de acero de siete hilos sometidos a cargas axiales y de flexión.
Análisis del shot peening como paliativo en fatiga por fretting
(2019-06-11) Martín Rodríguez, Vicente; Navarro Pintado, Carlos; Vázquez Valeo, Jesús; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
La fatiga por fretting es un tipo especial de fatiga que se produce en las superficies de contacto de uniones mecánicas tales como uniones atornilladas, uniones roblonadas, álabes de turbinas, uniones de ejes, cables metálicos trenzados o rotores de generadores. Con la intención de aumentar la vida de estos componentes bajo el efecto de la fatiga por fretting, en la industria es bastante usual aplicar el tratamiento superficial de shot peening sobre estos componentes mecánicos. Esto es debido a que durante la fatiga por fretting se producen unas altas tensiones y deformaciones en las superficies en contacto y que además presentan altos gradientes (variación muy rápida con respecto a la profundidad). Este tratamiento introduce tensiones residuales de compresión y transforma la microestructura del material en las cercanías de la superficie, además de producir un importante aumento de la rugosidad superficial. Los altos valores de tensiones y deformaciones producidos por la fatiga por fretting dan lugar a una pronta nucleación/iniciación de grietas tanto en la superficie como internamente y su posterior propagación hasta la rotura completa de la pieza. Además, se producen daños superficiales tales como el desgaste de la capa superficial y la oxidación del material. En ocasiones estas distribuciones de tensiones llegan a profundidades similares a aquellas en donde se produce la máxima tensión de compresión debida al tratamiento de shot peening. Por este motivo el shot peening es un buen paliativo de la iniciación o propagación de pequeñas grietas e incluso elimina la aparición de estas en algunas condiciones. Así, una pieza con este tratamiento puede alcanzar vidas a fatiga por fretting mucho más altas que sin él, incluso no romper. Además de estas tensiones residuales de compresión, el shot peening, tiene otras consecuencias como la alteración y modificación de las características microestructurales haciendo el que material se endurezca en la zona afectada por el shot peening. Otra de las consecuencias es la alteración de la rugosidad superficial de las probetas tratadas. Estos aspectos, que aun influenciando enormemente en el comportamiento frente a la fatiga por fretting, no se han estudiado en profundidad en la bibliografía. Por ello en esta tesis se estudia el efecto producido por el shot peening en una serie de ensayos de fatiga por fretting. Estos ensayos se hicieron con contacto cilíndrico, donde se tiene una alta concentración de tensiones en el borde de dicho contacto con un alto gradiente de tensiones en función de la profundidad. Anteriormente en el grupo de investigación al que este proyecto pertenece, se han realizado exhaustivos estudios sobre fatiga por fretting con contacto esférico y el efecto de las tensiones residuales generados por diferentes tratamientos superficiales tales como es el shot peening y el láser peening. Para estudiar el efecto causado por el tratamiento superficial de shot peening en fatiga por fretting con contacto cilíndrico se realizaron una serie de ensayos de fatiga por fretting en las que algunas probetas estaban tratadas con shot peening y otras no. El material empleado en la fabricación de las probetas para los ensayos fue el Al-7075-T651 de amplio uso en la industria aeroespacial. Se realizaron ensayos con diferentes combinaciones de cargas que crean distintos estados tensionales. De esta forma se puede ver con qué combinaciones de carga es más o menos efectivo el tratamiento de shot peening. Por otra parte, estudios previos realizados en este grupo de investigación, mostraron que ante una situación de fatiga por fretting, superficies con una cierta textura o rugosidad pueden producir mejoras sustanciales en la vida a fatiga por fretting. Para comprobar este supuesto se han realizado una serie de ensayos específicos, dos tipos de ensayos en probetas sin tensiones residuales inducidas por el shot peening donde a las probetas de uno de los tipos de ensayo se les alteraba la rugosidad superficial para reproducir la rugosidad producida por el shot peening. Otros dos tipos de ensayos eran en probetas con shot peening donde a las probetas de uno de estos tipos de ensayos se eliminaba la rugosidad por pulido. Al igual que la rugosidad, en esta tesis se estudian y cuantifican los efectos causados por la relajación de tensiones residuales, hecho que afecta a la vida a fatiga por fretting debido a que esta relajación de tensiones residuales puede llegar a alcanzar hasta un 50% según estudios anteriores. Una vez finalizados los ensayos se han analizado las superficies de fractura, grietas y huellas marcadas por los contactos en todas las probetas ensayadas. Así, se han ver los daños producidos durante un ensayo, evaluarlo y compararlo con diferentes probetas ensayadas. Todo este se ha realizado como paso previo para continuar y estudiar nuevos métodos de predicción de vida en fretting fatiga.
Analysis of single stage SPIF process applied to the hole flanging operation.
(2018-11-09) Borrego Puche, Marcos; Morales-Palma, Domingo; Vallellano Martín, Carpóforo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Tradicionalmente, las operaciones de rebordeado se llevan a cabo en la industria mediante técnicas de prensado convencionales utilizando punzón y troquel. Sin embargo, investigaciones recientes en conformado incremental (ISF) han señalado ventajas significativas de esta operación con respecto a los procesos convencionales. Entre otras son, la flexibilidad, la relación coste-efectividad y una importante mejora aparente en la confomabilidad del material. En este sentido, la presente tesis doctoral ofrece un análisis crítico de la operación de rebordeado de agujero cilíndrico mediante el conformado incremental mono punto (SPIF), realizada en una etapa, desde el punto de vista de la conformabilidad del material y las capacidades geométricas del proceso. Para comprender y cuantificar las ventajas de las operaciones de SPIF de una sola etapa, se llevó a cabo una campaña experimental de rebordeado de orificios cilíndricos mediante conformado incremental y convencional. Esto se realizó sobre una lámina de aleación de aluminio 7075-O. Se proporciona un estudio detallado de la evolución de las deformaciones en el flanco. Éstos se midieron utilizando métodos avanzados de videogrametría y fotogrametría. Los mecanismos y modos de fallo de la lámina y la caracterización de la capacidad de rebordeado en ambas operaciones se analizan usando el diagrama límite de conformado (FLD). El efecto de flexión inducido por la herramienta en SPIF y el radio de esquina en el caso convencional ha sido claramente dilucidado, junto con la geometría del flanco y las fuerzas de conformado involucradas. Finalmente, la comparación llevada a cabo permite extraer las ventajas y limitaciones tecnológicas en el proceso de rebordeado de orificios mediante SPIF de una sola etapa, y descubrir futuras líneas de investigación para mejorar su aplicación práctica.
Dinámica de sistemas multicuerpo rígido-flexible en coordenadas absolutas
(2006) García Vallejo, Daniel; Mayo Núñez, Juana María; Domínguez Abascal, Jaime; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Envejecimiento acelerado de composites aeroespaciales por estrés térmico y mecánico.
(2018-02-22) González López, Sergio; Lasagni, Fernando Adrián; Domínguez Abascal, Jaime; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
Los ensayos de vida altamente acelerada (HALT) de un determinado producto tienen como objetivo detectar defectos o debilidades de diseño y/o fabricación durante la etapa de desarrollo del mismo. Se basan en la aplicación de distintas condiciones ambientales, como ciclos térmicos con elevadas rampas de calentamiento/enfriamiento y/o vibración. Su objetivo es la reducción de costes de mantenimiento que el producto bajo análisis pudiera conllevar durante su vida en servicio por mal funcionamiento o fallo. En la primera fase del trabajo presentado se han aplicado ciclos térmicos a materiales compuestos aeronáuticos en diferentes atmósferas de ensayo. El efecto de fatiga térmica en este tipo de materiales implica oxidación (en atmósferas con contenido en oxígeno) y agrietamiento de la matriz debido a la diferencia entre los coeficientes de dilatación térmica entre la fibra de carbono y matriz epoxy. Dicha degradación y agrietamiento implica una variación en las propiedades mecánicas de los laminados. Con el fin de relacionar dicha degradación con las pérdidas de propiedades mecánicas, se han llevado a cabo ensayos de fatiga y de tracción estática en los estados de referencia y post envejecimiento del material. Por otro lado, para entender y caracterizar mejor el proceso de envejecimiento, se han realizado también inspecciones mediante microscopía óptica y tomografía computarizada. Esto permitirá cuantificar el daño infringido en el laminado a causa de la fatiga térmica con la pérdida de propiedades estructurales del mismo. En una segunda fase, y mediante ensayos específicos, presentados en este proyecto sobre uniones rigidizadas de material compuesto de fibra de carbono (CFRP), es posible evaluar el efecto combinado de ciclado térmico y cargas mecánicas estáticas en la degradación del material. Realizando una caracterización de la unión antes y después del envejecimiento. De manera similar se realizan inspecciones no destructivas y ensayos mecánicos en los estados de referencia y envejecido, para así poder relacionar el daño debido al proceso de envejecimiento, con la pérdida de propiedades mecánicas del componente. Por último, se presenta un modelo micromecánico de elementos finitos capaz de reproducir el proceso de agrietamiento de la matriz por fatiga térmica, incluyendo el efecto oxidativo del ensayo en atmósferas con contenido en oxígeno. Mediante un parámetro de daño definido en el mismo documento, es posible relacionar los resultados obtenidos mediante el modelado con los experimentales, y de esta manera seleccionar los parámetros del modelo que mejor ajusten el comportamiento simulado con los experimentos en laboratorio.
Análisis geométricamente no lineal en dinámica de mecanismos flexibles
(1993-10-01) Mayo Núñez, Juana María; Domínguez Abascal, Jaime; Guerrero de Mier, José; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
El comportamiento dinámico de los mecanismos flexibles es difícil de modelar, debido a la existencia de rotaciones finitas aparecen términos geométricamente no lineales, además de estar acoplados tanto movimiento de sólido rígido con el debido a las deformaciones elásticas como el desplazamiento longitudinal y transversal elásticos a través de la rotación de sólido rígido. A todos estos efectos se suma, en determinadas aplicaciones, la aparición de grandes desplazamientos elásticos o fuerzas axiales altas, que introducen nuevo término geométricamente no lineales en las ecuaciones del movimiento. En esta tesis se han desarrollado dos nuevas formulaciones, con un mayor grado de aproximación que la existentes en la literatura dependiendo del sistema de coordenadas elegido, las no linealidades geométricas parecen en los términos de rigidez o en los de variando sustancialmente la eficacia computacional y estacionalidad del método.
Ajuste de matrices O-D con asignación de alta convergencia
(2013-12-18) Reyes Gutiérrez, Antonio; García Benítez, Francisco; Romero Pérez, Luis Miguel; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
En esta tesis se aborda el problema de la estimación de matrices de viajes en redes de tráfico reales, congestionadas y de grandes dimensiones. Éste es un tema de manifiesta importancia en la planificación del transporte dada la relación existente entre la precisión de las matrices O-D y la calidad de los resultados del proyecto. El objetivo principal ha sido el de encontrar una metodología de ajuste de matrices que sea capaz de afrontar proyectos de grandes redes de tráfico congestionadas, incorporando los últimos modelos de asignación de tráfico de alta convergencia. La información de partida es la matriz de viajes del proyecto desactualizada y datos de aforos de un subconjunto de arcos de la red. El algoritmo de ajuste presentado resuelve iterativamente un problema de asignación de tráfico, cuya solución permite generar la dirección de descenso propuesta, y un problema de estimación, en el que se actualiza la matriz de viajes a través de la dirección de descenso. Se han realizado pruebas numéricas donde se pone en evidencia las mejoras que ofrece el algoritmo: - Se han abordado desde redes de pequeña escala hasta redes de grandes dimensiones como es la red de la comunidad de Madrid. - Se ha comprobado que el cálculo del Jacobiano propuesto genera direcciones de búsqueda más eficientes que las propuestas anteriormente y recogidas en la literatura científica. Esta eficiencia se hace patente en que se alcanzan matrices menos distorsionadas y en un menor número de iteraciones. - Esta nueva formulación tiene en cuenta los efectos de la saturación de vehículos. El Jacobiano considera las influencias de todos los pares O-D, incluso los pares O-D no interceptados por ningún aforo y los que inicialmente no presentan viajes. - Se ha reducido el tiempo de ejecución gracias a la inclusión de nuevos problemas de asignación de tráfico. A su vez, mediante el empleo de estos algoritmos de alta convergencia se ha mejorado la estabilidad, repetitividad y consistencia de las soluciones. Finalmente cabe destacar la utilidad práctica de la herramienta desarrollada, los resultados presentados ponen de manifiesto la amplia variedad de casos que puede tratarse con la formulación propuesta y la flexibilidad de la implementación desarrollada para adaptarse a esta casuística. Esta formulación generalizada presenta además el atractivo de poder ser implementada en el entorno de desarrollo integrado de Matlab con su propio lenguaje de programación. Desde Matlab existe la posibilidad de convertir su propio código de programación en cualquier código de programación como puede ser C, C++, C#, Java, luego en esta tesis se presenta una herramienta que puede ser empleada por todos aquellos profesionales que hayan de enfrentarse a este problema clásico de la Ingeniería del Transporte.
Análisis del proceso de fatiga en implantes dentales
(2014-02-21) Ayllón Guerola, Juan Manuel; Domínguez Abascal, Jaime; Navarro Pintado, Carlos; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
En esta tesis doctoral se desarrolla un procedimiento para estimar la vida a fatiga de sistemas de implantes dentales. Dicha metodología consiste en la aplicación, a dichos implantes, de varios modelos de predicción de vida a fatiga. El uso de estos modelos requiere del conocimiento de distintas propiedades mecánicas del material en que están fabricados los implantes, que han sido determinadas experimentalmente. Así mismo es necesario caracterizar el estado tensional en el implante cuando éste se encuentra sometido a unas determinadas condiciones de carga; esto se ha conseguido mediante la aplicación del método de los elementos finitos. Por otro lado, para poder evaluar el funcionamiento de esta metodología, se ha caracterizado experimentalmente el comportamiento a fatiga de los sistemas de implantes dentales. De esta forma se comparan los resultados obtenidos mediante la aplicación de los modelos de predicción de vida, con los obtenidos experimentalmente. La metodología seguida para la consecución de los objetivos planteados anteriormente se divide en dos líneas fundamentales, diferenciadas entre sí por el carácter de las mismas: teórico/numérico y experimental. La línea teórico/numérica consiste en el estudio y análisis de distintos modelos de predicción de vida a fatiga para identificar los requisitos necesarios para la aplicación de los mismos a los sistemas de implantes dentales. Así mismo se desarrollan distintos modelos de elementos finitos del implante que permiten obtener, entre otras magnitudes, la distribución de tensiones en dicho implante, así como la evolución del factor de intensidad de tensiones en el mismo cuando una grieta avanza a través de su espesor. Estas dos magnitudes son fundamentales para la aplicación de los modelos de predicción de vida a fatiga utilizados. La línea experimental consiste, por un lado, en la elaboración y ejecución de un plan de ensayos para obtener las propiedades elásticas, de fatiga y de fractura del titanio comercialmente puro de grado 4, que es el material en que están fabricados los implantes analizados. Por otro lado se desarrolla y aplica una metodología de ensayo para caracterizar el comportamiento a fatiga de sistemas de implantes dentales. Esta metodología estará fundamentada en la norma ISO 14801, que establece las condiciones que se habrán de cumplir para ensayar a fatiga implantes dentales y obtener la curva y el límite de fatiga de los mismos. Los resultados de vida a fatiga de los sistemas de implantes obtenidos experimentalmente son comparados con aquellos obtenidos mediante la aplicación de los modelos de predicción de vida. Dichos resultados muestran que alguno de los modelos de predicción de vida a fatiga aplicados reproduce con gran exactitud el comportamiento experimental observado de estos sistemas de implantes dentales.
Conformabilidad de chapa de acero de alta resistencia a tracción-flexión
(2014-10-17) Martínez Palmeth, Luis Humberto; Martínez Donaire, Andrés Jesús; Vallellano Martín, Carpóforo; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
En los procesos reales de conformado de chapas el fallo del material suele estar asociado a zonas donde las herramientas tienen radios pequeños (matrices, presachapas, punzones, etc.). Estos son inevitables por cuestiones de diseño, ya sea debido a la funcionalidad de la pieza o debido a que son deseables con el fin de reducir la recuperación elástica de la misma (Springback), sobre todo en aceros de alta resistencia (HSS) y aceros avanzados de alta resistencia (AHSS). En dichas zonas se induce estirado y flexión, provocando un significativo gradiente de deformaciones y tensiones a través del espesor de la chapa, que influye en el mecanismo de fallo del material. Por otro lado, un aspecto importante para el diseño de procesos de conformado de chapas metálicas es la predicción de las deformaciones límites que se pueden alcanzar antes de que la chapa falle. El uso cada vez mayor de los aceros HSS en los automóviles, con el objetivo de reducir el peso del vehículo, ha creado la necesidad de ser cada vez más precisos a la hora de fijar dichos límites de conformado en los proceso de fabricación. Además, el hecho de que los aceros HSS presenten una menor conformabilidad que los tradicionales aceros de bajo carbono, hace cada vez más importante predecir con mayor exactitud el instante de fallo, especialmente complejos de tracción y flexión en el proceso industrial de conformado de la chapa. Este trabajo tiene como objetivo principal contribuir a la mejora en la comprensión del efecto que tiene la combinación de tracción y flexión sobre el fallo de chapas metálicas en aceros de alta resistencia (HSS), usando para ello un enfoque experimental y teórico-numérico. Este objetivo se articula mediante varios hitos específicos: 1. La generación de resultados experimentales bajo condiciones controladas de tracción-flexión que permitan caracterizar el proceso de fallo y sirvan comosoporte para el desarrollo de un modelo de predicción de fallo adecuado. Para este estudio se ha seleccionado chapas de acero H240LA-O3 de 1.2mm de espesor. 2. La realización de un modelo 3D de elementos finitos que simule de forma realista los ensayos experimentales anteriores. Las evoluciones de las tensiones/deformaciones a través del espesor de la chapa obtenidas con dicho modelo numérico sirven como datos de entrada para la aplicación de un modelo de fallo que permita describir adecuadamente el inicio de la estricción en las chapas de H240LA-O3. 3. La utilización de un modelo de fallo analítico, ya existente, basado en el concepto de volumen crítico de material. Dicho modelo postulado inicialmente en tensiones. Será reformulado empleando como variable representativa la deformación plástica equivalente, mejorando así su capacidad predictiva y sensibilidad ante la presencia de gradientes de deformaciones en la chapa. El desarrollo de estos hitos estructura la tesis en cinco capítulos. En el Capítulo 1 se revisa el estado del arte de las principales curvas utilizadas para medir la conformabilidad de las chapas metálicas. De igual forma, se revisa de los trabajos experimentales y analíticos más destacados que han tratado de explicar los mecanismos de fallo de las chapas metálicas bajo condiciones de tracción-flexión. El Capítulo 2 presenta el estudio experimental llevado a cabo sobre las chapas de H240LA-O3 de 1.2mm de espesor, esto es, su caracterización mecánica, la obtención de la Curva Límite de Conformado (CLC) normalizada y la realización de una batería de ensayos bajo condiciones controladas de tracción-flexión. El Capítulo 3, aborda el desarrollo, calibración y validación de un modelo de elementos finitos que simula los ensayos experimentales anteriores y que permitirá predecir numéricamente el fallo en dichas situaciones. En el Capítulo 4 se analizan las evoluciones numéricas de las deformaciones y tensiones a través del espesor de la chapa, a fin de comprender el efecto del gradiente en el fallo de la chapa sometida a diferentes niveles de flexión. Finalmente se presentan las predicciones numéricas para el inicio de la estricción empleando el modelo de fallo propuesto, formulado en tensiones y deformación plástica equivalente, para los ensayos de estirado con flexión. Éstas se comparan satisfactoriamente con los resultados experimentales. Por último, en el Capítulo 5 se resumen las principales conclusiones de esta tesis y algunos de los posibles desarrollos futuros. En el presente trabajo se ha analizado la conformabilidad de chapas metálicas y la influencia que tiene la flexión sobre ésta. Para ello, se ha realizado un estudio tanto experimental como numérico sobre chapas de acero de alta resistencia H240LA-O3 de 1,2 mm de espesor, extensivamente empleada en la industria de la automoción. En la parte experimental del estudio, se han obtenido las propiedades mecánicas a tracción de la chapa H240LA-O3 y se ha caracterizado la anisotropía plástica de la misma a través de los coeficientes de Lankford a distintas orientaciones. Además se ha evaluado la conformabilidad a través del diagrama límite de conformado (DLC) normalizado mediante ensayos de estirado tipo Nakazima. De forma similar, se ha llevado a cabo una batería de ensayos de estirado con flexión, en caminos cercanos a deformación plana, empleando punzones cilíndricos con diferentes diámetros (D20, D10, D5, D3 y D1mm) a fin de generar gradientes de deformaciones en el espesor de la chapa con distinta severidad y analizar su efecto en la confomabilidad. En todos los casos se ha obtenido la curva de fractura característica del material (CLF). Las conclusiones más importantes del estudio experimental son las siguientes: Los coeficientes de anisotropía plástica resultaron ser prácticamente constantes en todo el proceso de deformación. El mecanismo de fallo fue estricción localizada previa a la fractura dúctil de la chapa en todos los ensayos, con y sin flexión. Los valores de deformación límite alcanzados aumentan a medida que el gradiente de deformación en el espesor se intensifica, o lo que es equivalente, a medida que la relación de flexión t0/R crece, al menos hasta el punzón de diámetro de D3mm. El máximo incremento de conformabilidad respecto a los ensayos Nakazima se cuantificó alrededor de un 15 %. La metodología t-d aplicada a las chapas de acero H240LA-O3 ha proporcionado buenas predicciones de las deformaciones límite de estricción en todos los casos. Se observa que para el punzón de D1mm ocurre un proceso de indentación en la cara interior de la chapa como consecuencia de las altas tensiones generadas en el contacto (D3), reduciendo los valores de deformación límite de estricción. Se ha introducido el concepto de la curva CLFI como herramienta útil a la hora de diseñar procesos de conformado mediante análisis de elementos finitos o a la hora de la detección en planta. Se debe tener en cuenta que dicha curva depende del equipo de medición empleado. Los límites de fractura dúctil (CLF) permanecieron prácticamente constantes para todos los niveles de flexión analizados, siendo insensibles a la severidad del gradiente de deformación durante el proceso. Paralelamente se ha desarrollado un modelo 3D de elementos finitos para simular los ensayos experimentales. Dicho modelo ha sido calibrado y validado a partir de los datos experimentales medidos en laboratorio. Este modelo permite tener acceso a la historia de deformaciones y tensiones en todo el espesor de la chapa durante los ensayos, y particularmente en la zona de fallo. Como resultado del estudio de dicho modelo se encontró que: El modelo de elementos finitos usando elementos sólidos ha sido capaz de reproducir los ensayos experimentales, incluyendo el aumento de conformabilidad a medida que el radio del punzón decrece (t0/R mayor). El análisis de las deformaciones en el modelo numérico muestra que en las zonas de contacto entre el punzón y la chapa existen inversiones de las deformaciones en las capas de material cercanas a la cara interior. Esto provoca que dicha zona evolucione por caminos claramente no proporcionales. Según lo anterior, se evidencia que es necesario utilizar un modelo de endurecimiento cinemático, ya que éste es capaz de capturar adecuadamente los efectos de las inversiones de la deformación presentes en los procesos de estirado con flexión. Se pone de manifiesto la poca influencia de la relación de flexión (t0/R) en los gradientes de tensiones para los modelos constitutivos utilizados. Se deja patente la necesidad de emplear métricas insensibles a los caminos no proporcionales de deformación, cuando se desea predecir el fallo en procesos de estirado con flexión. Para predecir el fallo en situaciones con gradientes de deformaciones a través del espesor, se propone el uso de un modelo de fallo recientemente desarrollado. Este modelo plantea que el fallo por estricción de la chapa se origina cuando el promedio de una cierta variable significativa (tensión, deformación plástica equivalente, etc.) alcanza un nivel crítico en un cierto volumen de material situados en la region interna de la chapa. Éste caracterizado mediante una distancia característica (dcrit), medida desde la superficie interna de la chapa, que en principio depende de la microestructura del material. La aplicación de dicho modelo de predicción conduce a las siguientes conclusiones: La utilización de las variables de tensiones y deformaciones plásticas equivalentes como variables características en el modelo de fallo conjuntamente con las curvas FLSC y epFLC polar, arrojan estimaciones de las deformaciones límite de estricción acordes a las experimentales. Esto corrobora la independencia de dichas variables ante los caminos de deformación no proporcionales como los existentes en los ensayos realizados. Se encontró que las predicciones realizadas mediante las deformaciones plásticas equivalentes son más sensibles al nivel de flexión en el proceso que aquellas obtenidas empleando una descripción directamente en tensiones. Los resultados muestran que la variante utilizando deformaciones plásticas equivalentes y la curva epFLC polar arroja mejores predicciones de las deformaciones límites de estricción. Éstas se encuentran en una banda de error de 10%, exceptuando el ensayo de D1mm. La distancia crítica que arrojó mejores predicciones se situó en torno a las 200 micras. Dicho valor está en concordancia con las estimaciones propuestas por otros autores, e. g. Morales-Palma et ál. (2013), que propone el uso de una distancia crítica entre 10 y 25 veces el tamaño característico de grano del material (dcrit=10D- 25D)
Nonlinear vibrations produced by unbalanced motors
(2017-03-15) González-Carbajal, Javier; García Vallejo, Daniel; Domínguez Abascal, Jaime; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
The present thesis is concerned with the nonlinear dynamics of vibrating systems excited by unbalanced motors. The main focus is the reciprocal (nonideal) interaction which in general exists between the dynamics of the exciter –the unbalanced motor– and that of the vibrating system. Two models were analytically and numerically studied. First, a 2DoF model of a general structure with a cubic nonlinearity, excited by a nonideal motor, was analysed in detail. The second model is a 3DoF simplified representation of the process of vibrocompaction of quartz agglomerates. The first model requires different treatments depending on the order of magnitude of the slope of the motor characteristics. Then, two cases were considered separately: large and small slope. For the first scenario, a new analytical approach was developed, which combines two well – known perturbation techniques: the Averaging Method and the Singular Perturbation Theory. This scheme allows uncovering the system dynamics as composed of three consecutive stages of time. The first two ones occur in a short time scale and can be considered as a fast transient regime. During the third stage, the system dynamics was shown to be well – represented by a reduced 2D system. A detailed analysis of this reduced system allowed obtaining its fixed points and their stability. As a very relevant outcome of the stability analysis, conditions were found for the existence of a Hopf bifurcation, which had not been addressed before in the literature, to the author’s knowledge. This result is particularly significant, for it shows that the stability region of a stationary motion of the system can be smaller than predicted by usual theories. Thus, not taking the Hopf bifurcation into account may lead to unexpected instabilities in real applications. The Hopf bifurcations were analytically investigated and very simple conditions were derived to characterize them as subcritical and supercritical. Moreover, by using the Poincaré – Béndixson theorem, conditions were found under which all trajectories of the reduced system are attracted towards a limit cycle. This kind of motion in the reduced system corresponds to a quasiperiodic oscillation in the original one. The global bifurcations whereby the found limit cycles disappear were numerically analysed, finding homoclinic and saddle – node homoclinic bifurcations. All these results were validated by comparing numerical solutions of the original and reduced systems, which exhibited a remarkable accordance. The case of small slope was also analytically studied in detail. Having found the existence of a resonance manifold in the phase space, the regions far (outer) and close (inner) to the resonance manifold were separately investigated through averaging techniques. Under certain conditions, the inner region contains two fixed points, whose stability was analysed. As an apparent limitation of the procedure, it was addressed that the time of attraction of one the fixed points was much longer than the time of validity of the averaged system. Consequently, it is not obvious whether or not the stability of that fixed point in the averaged system is necessarily the same as in the original system. The main contribution of this part of the thesis consists in having proved, by using attraction arguments, that solutions of the averaged system near the fixed point of interest are actually valid for all time, thereby solving the above difficulty. The existence of a stable fixed point in the resonance region justifies the possibility of resonance capture. As in the case of large slope, numerical simulations were conducted in order to compare solutions of the original and averaged systems. A good agreement was also found in all the considered scenarios. The final part of the thesis considered a real industrial process, where a mixture of granulated quartz and polyester resin is compacted by using a piston with unbalanced electric motors. A simplified 3DoF model of the process was built, including the nonideal coupling between the motor and the vibrating system, impacts and separation between the piston and the quartz slab and a nonlinear constitutive law for the mixture which models the compaction itself. Although the model is not complex enough to give reliable quantitative results, it is a first step towards the construction of more sophisticated models which are able to predict the behaviour of actual compacting machines. Interestingly, it has been shown that the torque – speed curves obtained in the first chapters of the thesis can also be applied, in an approximate way, to the vibrocompaction model. These curves allow predicting whether a particular set of parameters for the process will give an efficient compaction of the mixture. Several simulations have been conducted, illustrating how such a model could be used to understand the effect of each parameter in the final result of the process.
Biomechanics of bone transport: in vivo, ex vivo and numerical characterization
(2016-09-08) Mora Macías, Juan; Domínguez Abascal, Jaime; Reina Romo, Esther; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
The work carried out in this Thesis was motivated by the need of providing experimental data about distraction osteogenesis to improve and validate in silico models of the process. Computational models of distraction osteogenesis allow understanding the mechanobiology and improving the clinical applications of the process. In the last years, numerical models were proposed based on different hypothesis [8, 12, 14–16]. Although experimental studies which evaluated mechanical, biological or both aspects of distraction osteogenesis may be found in literature [1–7, 9–11], the differences existing in the conditions of the experiments carried out make difficult to compare among these studies and to make conclusions. Therefore, more experimental data are demanded to validate computational models and to improve the clinical applications.
Análisis dinámico de estructuras tether giroestabilizadas
(2006-03-22) Valverde García, Juan Sebastián; Domínguez Abascal, Jaime; Escalona Franco, José Luis; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
En este trabajo se ha estudiado la dinámica de estructuras tether en el espacio. Estas estructuras tether son cables de gran longitud que unen distintos módulos en órbita, permitiendo la transferencia de cantidad de movimiento y energía entre ellos. En particular, se ha estudiado sistemas tether que orbitan de forma perpendicular a su plano de órbita, de forma que han de estar sometidos a rotación alrededor de su eje longitudinal para mantenerse estables en dicha posición. Además, se han estudiado tethers electrodinámicos que interaccionan con el campo geomagnético produciendo fuerzas de Lorentz que frenan o impulsan el sistema. Así, el sistema no puede ser tratado como un cable, es necesario modelar el teather como una barra con rigideces a flexión y torsión. En resumen, se ha realizado un estudio detallado de una barra extremadamente esbelta (0.0025/100) sometida a rotación bajo la acción de fuerzas de Lorentz. El sistema es similar a un rotor desequilibrado en el que, sin embargo, se producen grandes desplazamientos por deformación. En estas condiciones, la teoría clásica lineal en dinámica de rotores predice la inestabilidad del sistema producida por las fuerzas de amortiguamiento interno del material cuando se supera cierta velocidad crítica, la cual queda muy por debajo de la velocidad de rotación en la que opera el sistema que aquí se ha estudiado. Sin embargo, algunos estudios sobre modelos de rotor muy simples sugieren que la no-linealidad geométrica puede controlar dicha inestabilidad. Par aprobar esto, se han realizado diferentes modelos del sistema tether. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo basado en el rotor de Jeffcott. Más tarde, se mejora este modelo formulando el sistema mediante las ecuaciones de Kirchhoff-Love de una barra 3D. En ambos modelos se llevó a cabo un estudio paramétrico del sistema, usandose técnicas matemáticas de última generación como la continuación numérica.
Fatiga en componentes con concentradores de tensión bajo carga biaxial
(2016-12-02) Beretta, Guido; Navarro Robles, Alfredo; Chaves, Victor; Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Mecánica y de Fabricación
La problemática de los fallos por fatiga afecta a un gran número de componentes en los más diversos campos de aplicación. Desde maquinaria pesada para distintos tipos de industria, instrumentos deportivos, medios de transporte, hasta componentes a escala micrométrica. Al ser un proceso de crecimiento de grieta paulatino que culmina con la fractura de la pieza, prácticamente no se alteran las dimensiones de la misma, hecho que complica considerablemente su detección. Esto produce que la gran mayoría de los fallos ocurran de manera inesperada y conlleven, en muchos casos, un gran riesgo para personas. El presente trabajo se enmarca en este ámbito, aplicando el modelo de Navarro y De los Ríos, utilizado para predecir el fallo por fatiga en componentes con concentradores de tensiones sometidos a estados de carga biaxiales. El citado modelo considera a la grieta desde un tamaño comparable con la microestructura del material, lo que le da bases físicas para cuantificar tanto la influencia de la presencia de concentradores de tensiones como de estados de carga biaxiales. El objetivo de esta tesis es, entonces, realizar ensayos experimentales intentando reproducir las condiciones ideales del modelo de Navarro y De los Ríos, para así comparar los resultados con las predicciones teóricas. Con este fin, se realizaron las siguientes tareas: 1) Se hizo un estudio detallado del propio modelo aplicado a entallas bajo carga biaxial, de las ecuaciones que lo componen y de cómo resolverlas de forma eficiente, minimizando tanto el tiempo de cálculo como el error numérico asociado. 2) Se diseñaron las probetas para ensayos de fatiga, con y sin concentradores de tensión. Con este fin se utilizaron herramientas de elementos finitos. 3) Se consiguió un proceso de fabricación de las probetas y de caracterización de los materiales utilizados, los cuales son un acero AISI 304L y un aluminio 7075 T6. 4) Se realizaron ensayos de fatiga a tracción-compresión, torsión alternativa y combinando tracción y torsión en fase, sobre probetas de distintas geometrías y con distintos concentradores de tensión. De todas estas tareas, las conclusiones más importantes a las que se llegaron son: 1) Se eligió e implementó de manera correcta un nuevo método de resolución numérica del modelo de Navarro y De los Ríos, utilizando un único intervalo de integración. El mismo se basa en los trabajo de Erdogan. Como principal ventaja respecto del método anterior, propuesto por Chaves, se encuentra el hecho de que no se requiere imponer una condición de continuidad de la pendiente del desplazamiento plástico, la cual no está estrictamente relacionada con el modelo NR y en algunos casos provoca un mal condicionamiento del sistema. 2) Las probetas huecas de ambos materiales parecen presentar mayor sensibilidad a la entalla que las probetas macizas. Este efecto es más notorio en el caso del acero a tracción, donde una entalla de 1 mm de diámetro reduce al 44% el límite a fatiga en probetas huecas y sólo al 63% en probetas macizas. Sin embargo, hay que ser muy cautos a la hora de afirmar esta conclusión dado que los ensayos sobre probetas de acero macizo sin entalla pudieron haber estado afectados por un aumento en la temperatura que deteriorase sus propiedades. 3) Se analizó el punto de inicio alrededor de la entalla y la dirección de la grieta en los primeros 500 µm. Esto se realizó viendo la superficie de la probeta en la zona de la entalla con un microscopio óptico. Para todos los tipos de materiales y cargas, tanto el punto de inicio como la dirección a 500 µm fue muy cercana a la zona de máxima tensión principal. 4) Se analizó la superficie de fractura de algunas probetas sometidas a tracción con un Perfilómetro sin contacto. Esto se hizo para saber si lo medido desde la superficie de la probeta era realmente representativo de lo que sucede a lo largo de toda la entalla. En el caso del acero AISI 304L se encontró que el error cometido al tomar los datos medidos desde la superficie era muy bajo mientras que en el aluminio no tanto, por lo que hay que tener más cautela en este último caso. 5) Se buscó el punto de inicio de grieta a lo largo de la profundidad de la entalla, en probetas sometidas a tracción, mediante microscopía electrónica. Tanto en el caso del acero AISI 304L como el del aluminio 7075 T6 las grietas se iniciaron, en general, en el centro de la entalla. Esto es de vital importancia en el caso de las probetas huecas ya que descarta una influencia del acabado de la superficie interna. 6) Las predicciones del modelo NR para el límite a fatiga (tensión para 1.000.000 ciclos en aluminio) son buenas, estando el error por debajo del 20% en la mayoría de los casos. En cuanto al punto de inicio alrededor de la entalla, la predicción es también muy buena. Tomando los posibles puntos de inicio en donde la tensión calculada difiere en menos del 5% con la mínima, los resultados experimentales siempre quedan dentro. Por último, en el caso de las direcciones de grieta, las predicciones no son buenas, estando en todos los casos lejos de lo observado experimentalmente. 7) Las predicciones del modelo de distancia crítica modificado con el criterio de plano crítico de Susmel son, en general, también muy buenas. Sin embargo, en el caso de probetas de acero macizas, las predicciones son muy malas, teniendo errores cercanos al 40%.

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