Η ανάπτυξη υπολογιστικών διαδικασιών που είναι σε θέση να προσομοιώσουν και να προβλέψουν με ακρίβεια την μηχανική συμπεριφορά και τις αστοχίες βασικών νανοδομών είναι ο σκοπός της παρούσας διατριβής. Οι υπολογιστικές διαδικασίες αναπτύσσονται βάσει των πεπερασμένων στοιχείων και στη συνέχεια εφαρμόζονται για να παρέχουν αριθμητικά αποτελέσματα σχετικά με την ελαστική, δυναμική και μη γραμμική συμπεριφορά των νανοδομών άνθρακα, όπως του γραφενίου, νιφάδες γραφίτη και νανοσωλήνων άνθρακα. Η μοριακή μηχανική θεωρία παρέχει τα πεδία δύναμης (εκφράσεις διατομικών αλληλεπιδράσεων) που χρησιμοποιούνται ως βάση για το φορμαλισμό πεπερασμένων στοιχείων-ελατηρίων. Η εξιδανικευμένη ατομιστική γεωμετρία των νανοδομών, όπως προκύπτει από την ελαχιστοποίηση της δυναμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να οριστεί η διακριτή γεωμετρία τους και κατ’ επέκταση η γεωμετρία των αντίστοιχων προτύπων πεπερασμένων στοιχείων. Επιπλέον, αναπτύσσονται μεθοδολογίες πεπερασμένων στοιχείων πολυ-κλίμακας για την πρόβλεψη της ελαστικής και μη γραμμικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων ενισχυμένων με νανοσωλήνες άνθρακα. Αναπτύσσονται αντιπροσωπευτικά στοιχεία όγκου τα οποία βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με την μικρομηχανική θεωρία. Η ενισχυόμενη φάση, η οποία μπορεί να είναι πολυμερές, μέταλλικό ή ελαστομερές υλικό, αντιμετωπίζεται ως συνεχές μέσο, ενώ η ενίσχυση ως διακριτή δομή. Η διεπιφανειακή ζώνη μεταξύ μήτρας και ενίσχυση προσεγγίζεται με κατάλληλα στοιχεία συνδέσμους και οι ιδιότητες ακαμψίας τους υπολογίζονται με τη χρήση φυσικών υποθέσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μεθόδων συγκρίνονται με αντίστοιχες πειραματικές και θεωρητικές προβλέψεις, οι οποίες είναι διαθέσιμες στην διεθνή βιβλιογραφία, αποδεικνύοντας την υψηλή ακρίβεια πρόβλεψης των προτεινόμενων μεθόδων. / The development of computational procedures that are able to accurately simulate and predict the mechanical behaviour and failures of basic nanostructures is the aim of the present thesis. A spring based finite element method is developed and utilized to provide numerical results about the elastic, dynamic and nonlinear behaviour of major carbon allotropes, such as graphene, graphite flakes and carbon nanotubes. The molecular mechanics theory provides the force fields that are used as the base for the spring elements formulation. The optimized atomistic geometry of nanostructures as graphene nanoribbons, graphite flakes, as well as single and multi walled carbon nanotubes as derived by the potential energy minimization is used to be defined their discrete geometry and the corresponding finite element models. Furthermore, multi-scale finite element models are formulated for the prediction of elastic and nonlinear mechanical behavior of carbon nanotube reinforced nanocomposites. Representative volume elements are implemented according to the micromechanical theory. Matrix materials such polymers, metals or rubber are considered as continuum mediums, whereas the reinforcement is modeled as a discrete structure. The interfacial zone between matrix and reinforcement is approached by appropriate elements and their stiffness properties are computed by using physical assumptions. In all cases, the results of the proposed methods are compared with experimental and theoretical ones available in the literature demonstrating the high predicting accuracy of the proposed methods.

Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι ταλαντώσεις των αστέρων νετρονίων με ιδιαίτερη έμφαση στις ακτινικές ταλαντώσεις τους. Σκοπός αυτής της μελέτης είναι ο υπολογισμός των συχνοτήτων των ακτινικών ταλαντώσεων των αστέρων νετρονίων. Στο πρώτο, κεφάλαιο κάνουμε μία μικρή εισαγωγή για τους αστέρες νετρονίων και τους ταχέως περιστρεφόμενους αστέρες νετρονίων (pulsars) καθώς και για τον ρόλο, που διαδραματίζουν αυτοί και τα διπλά συστήματα που σχηματίζουν, στην σύγχρονη Αστροφυσική. Ακόμα αναφερόμαστε στην εσωτερική δομή των αστέρων νετρονίων και σε κάποιες από τις καταστατικές εξισώσεις, που μπορεί να περιγράφουν την ύλη στο εσωτερικό του, δίνοντας έμφαση στην πολυτροπική καταστατική εξίσωση την οποία και υιοθετούμε στην παρούσα εργασία. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παραθέτουμε τις εξισώσεις Oppenheimer–Volkoff(OV) που περιγράφουν την ισορροπία ενός αδιατάρακτου αστέρα νετρονίων. Στη συνέ- χεια, θεωρώντας τις ακτινικές ταλαντώσεις 1) ως απειροστού πλάτους αδιαβατικές ταλαντώσεις που διατηρούν τον βαρυονικό αριθμό και 2) ως αποτέλεσμα της αργής περιστροφής του αστέρα, καταλήγουμε σε μία δεύτερης τάξης διαφορική εξίσωση που διέπει τις ακτινικές ταλαντώσεις των αστέρων νετρονίων. Η εξί- σωση αυτή γράφεται στη μορφή Sturm– Liouville. Επιπροσθέτως, συνεχίζουμε παραθέτοντας τον διορθωτικό όρο, λόγω περιστροφής, για την τιμή της συχνότη- τας και τις εξισώσεις που διέπουν τις μη ακτινικές ταλαντώσεις. Τέλος κλείνουμε το κεφάλαιο αυτό με μία ανάλυση των διαφόρων τρόπων ταλάντωσης. Στο τρίτο κεφάλαιο, αρχικά επιλύουμε, με τη χρήση ενός πρωτότυπου επα- ναληπτικού αλγορίθμου, το σύστημα διαφορικών εξισώσεων OV για την εύρεση των φυσικών παραμέτρων του αστέρα. Στη συνέχεια, αφού αρχικά αναλύσουμε τις βασικότερες μεθόδους επίλυσης της διαφορικής εξίσωσης των ακτινικών ταλα- ντώσεων, που εμφανίζονται στην βιβλιογραφία, μετατρέπουμε τη μορφή Sturm– Liouville σε ένα σύστημα δύο διαφορικών εξισώσεων πρώτης τάξης, το οποίο επιλύουμε με την βοήθεια της μεθόδου σκόπευσης (shooting method). Στη βιβλιογραφία, υπάρχουν δύο διαφορετικές τάσεις αντιμετώπισης της πο- λυτροπικής καταστατικής εξίσωσης, ανάλογα με το αν στην θέση της πυκνότητας εισέρχεται η πυκνότητα μάζας ηρεμίας ή η πυκνότητα της ολικής μάζας–ενέργειας. Ακόμα, δύο είναι και οι διαφορετικοί τρόποι αντιμετώπισης του αδιαβατικού δεί- κτη, ο οποίος εισέρχεται στην εξίσωση που περιγράφει τις ακτινικές ταλαντώσεις, ανάλογα με το αν είναι σταθερός ή μεταβάλλεται. Από τις τέσσερις αυτές βασικές υποθέσεις για την πολυτροπική καταστατική εξίσωση και τον αδιαβατικό δείκτη, προκύπτουν τέσσερα διαφορετικά πρωτότυπα μοντέλα για τις ακτινικές ταλαντώ- σεις, τα οποία και επιλύουμε. Στο τελευταίο κεφάλαιο, υπολογίζουμε και παρουσιάζουμε τις τρεις πρώτες συχνότητες των τεσσάρων πρωτότυπων μοντέλων για τις ακτινικές ταλαντώσεις των αστέρων νετρονίων για τρεις διαφορετικές τιμές του πολυτροπικού δείκτη και αναλύουμε τις αριθμητικές μεθόδους, τις οποίες χρησιμοποιούμε, καθώς και τις αντίστοιχες υπορουτίνες της βιβλιοθήκης SLATEC. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός πρωτότυπου επαναληπτικού αλγορίθμου για την εύρεση της ακτίνας του αστέρα με μεγάλη ακρίβεια και η παρουσίαση αποτελεσμάτων για τέσσερα πρωτότυπα μοντέλα που περιγράφουν τις ακτινικές ταλαντώσεις των αστέρων νετρονίων. / In the present Thesis we study the oscillations of neutron stars emphasizing on the radial oscillations. The Thesis is organized in four chapters. In the first chapter, we introduce the theoretical background of neutron stars and pulsars. We then discuss the importance of the role that the binary neutron stars play in modern Astrophysics. Next, we refer to the structure of these stars and introduce some of the equations of state (EOS) which try to describe the matter occupying the inner layers of neutron stars, emphasizing on the polytropic EOS which is adopted here. In the second chapter we, first introduce the Oppenheimer–Volkoff (OV) system of differential equations, describing the hydrostatic equilibrium of a non rotating, non pulsating neutron star, and considering the radial oscillations 1) as infinitesimal, baryon-number conserving, adiabatic oscillations 2) as the result of the slow rotation of the neutron star, we derive the second order differential equation governing the radial oscillations of a neutron star. We then rewrite this equation in the Sturm–Liouville form. The expression of the change of frequency of the radial oscillations due to slow rotation and the equations of state is obtained. Finally, we conclude this chapter with a mode analysis of oscillations of neutron stars in general. In the third chapter, we first solve the OV system of differential equations, implementing an original iterative algorithm, and thus calculate the physical parameters of the star. Next, some of the methods used for solving the equations describing the radial oscillations are discussed. Finally, we transform the Sturme–Liouville form to a set of two first order differential equations, which are computed by implementation of the shooting method. In the bibliography, the polytropic EOS is considered in two different ways, depending on which density (rest mass or total mass–energy) is involved in the polytropic EOS. In a similar manner, we have two different ways for considering the adiabatic exponent which enters the equation describing the radial oscillations (constant or variable). Considering these four different assumptions for the polytropic EOS and the adiabatic exponent, we construct four different models of pulsating neutron stars. In the final chapter, we compute and present the first three frequencies of each basic model concerning radial oscillations of neutron stars for three values of the polyropic index. We discuss the numerical methods implemented here and the involved subroutines, which can be found in the SLATEC Library. The main issues of the present Thesis are the development of an iterative algorithm for accurately computing the radius of the star and the computation of the frequencies for the four basic models describing th radial oscillations of neutron stars.

Χρονοφασματική και χωροχρονική ανάλυση σύγχρονης (φασικά-κλειδωμένης) υψίσυχνης (γ-ζώνης) ταλαντωτικής ηλεκτροεγκεφαλογραφικής δραστηριότητας σε ανώτερης τάξης oπτικογνωστικές αποκρίσεις του ανθρωπίνου εγκεφάλου διεξαγόμενη με το συνεχή μετασχηματισμό του κυματίου και υλοποιούμενη με προηγμένα εργαλεία πληροφορικής της Βιοϊατρικής Μηχανικής στην ψηφιακή επεξεργασία του ΗΕΓ σήματος. / Spectrotemporal and spatiotemporal analysis of synchronous (phase-locked) high-frequency (gamma-band)oscillatory electroencephalographic activity in higher-order visual cognitive responses of the human brain conducted with the continuous wavelet transform and implemented by advanced informatics tools of Biomedical Engineering in digital EEG signal processing.

Μελετάµε χωρικά εντοπισµένες και χρονικά περιοδικές λύσεις σε διακριτά συστήµατα που εκτείνονται σε µία χωρική διάσταση. Αυτού του είδους οι λύσεις είναι γνωστές µε τον όρο discrete breathers (DB) ή intrinsic localized modes (ILM). Στην ελληνική ϐιϐλιογραϕία, έχουν ονοµαστεί ∆ιακριτές Πνοές. Απαραίτητα χαρακτηριστικά για την εµϕάνιση τέτοιων λύσεων είναι η ύπαρξη ενός άνω φράγµατος του γραµµικού φάσµατος καθώς και η µη γραµµικότητα των εξισώσεων κίνησης, χαρακτηριστικά που συναντάµε σε πολλά φυσικά συστήµατα. Συγκεκριμένα, ασχολούµαστε µε πλέγµατα τύπου Klein Gordon και παρουσιάσουµε μια αποδείξη ύπαρξης τέτοιων λύσεων καθώς και αριθµητικά αποτελέσµατα µελετώντας παράλληλα την ευστάθεια των περιοδικών αυτών λύσεων µέσω της ϑεωρίας Floquet. Πέραν του κλασικού µοντέλου, όπου έχουµε αλληλεπιδράσεις πλησιέστερων γειτόνων, εισάγουµε επίσης ένα νέο µοντέλο µε αλληλεπιδράσεις µακράς εµβέλειας η οποία ελέγχεται µέσω µιας παράµετρου α και µελετάµε τις επιπτώσεις που έχει η μεταβολή του εύρους αλληλεπίδρασης στον χωρικό εντοπισµό και την ευστάθεια ενός DB. / We study time-periodic and spatially localized solutions in discrete dynamical systems describing Hamiltonian lattices in one spatial dimension. These solutions are called discrete breathers (DBs) or intrinsic localized modes (ILM). Necessary conditions for their occurrence are the boundedness of the spectrum of linear oscillations of the system as well as the nonlinearity of the equations of motion. More specifically, we focus on a Klein Gordon lattice and present an existence proof for such solutions, as well as numerical results revealing the stability (or instability) of DBs using Floquet theory. Besides reporting on the classical Klein Gordon model with nearest neighbor interactions, we also introduce long range interactions in our model, which are controlled by a parameter α and study the effect of varying the range of interactions on the spatial localization and the stability of a DB.

This work focuses in two main directions of rotor dynamics field, the simulation of rotor bearing systems and the fault diagnosis. From the serious multiple faults that can appear in a rotor bearing system two of them are the target of current research: the transverse fatigue crack of a rotor and the radial extended wear in a bearing. The transverse crack is a defect able to bring a catastrophic failure of the system when the growth (depth) takes high percentage values relatively to radius of the shaft (i.e. >60%) and the symptoms of crack presence have been widely investigated during last four decades yielding efficient methods for the early crack detection. On the other hand the defect of bearing wear is much less investigated without results connected with wear diagnosis methods. Concerning previous works in those two defects the current dissertation’s persuasion is firstly to make a proposal in bearing wear detection, secondly to achieve a method definition able to detect a breathing transverse crack in a different way from those referred to literature. For the subject of crack detection, a different crack breathing model is proposed with emphasis in coupled local compliances definition and their variation during rotation while for the subject of bearing wear detection, a wear model from the literature is used with emphasis in rotor bearing system construction in a different way in relation to what up to now is available in literature. The rotor bearing system construction (simulation) is a matter widely investigated since early 60’s and some points of the current work try to differ in the way that the rotor and the fluid film bearings interact in discrete time. The concept of nonlinear fluid film forces is confronted in this work leaving out the nonlinear stiffness and damping bearing fluid film coefficients and assuming that during the journal whirling no equilibrium point must be defined in order to evaluate the future progress of vibration. Towards generality the fluid film bearings are not defined geometrically as short or long. These two specific geometric assumptions of short/long bearing appear widely in real machines and yield analytical expressions of fluid film forces but in current work the finite fluid film bearing is used demanding the well known finite difference method in order to evaluate the impedance forces, as many researches have propose. Both defects are met in a rotor bearing system parted from a continuous rotor and finite fluid film bearings. An entire chapter is dedicated in the way that Rayleigh equation of rotor motion incorporates internal damping using exclusively Real number confrontment, and in the way that fluid film forces react in rotor motion by defining boundary conditions in every discrete time moment. The definition of boundary conditions in discrete time makes them functions of the entire system response yielding a nonlinear dynamic system with the resulting time xx histories to be characterized from periodicity or quasi-periodicity sometimes depending in the defects presence. An extended analysis of time histories of the intact and the defected system is made in order to invest the symptoms of each defect in magnitudes of time and frequency domain. Timefrequency analysis is performed using continuous wavelet transform in virtually or really (the former from simulation, the latter from experiment) acquired time histories in order to extract the variable coupling phenomenon exclusively due to the breathing crack from the other two main reasons of coupling, the bearings and the shaft. Vertical response due to crack coupling is amplified when the crack coupled compliances become larger under an electromagnetic horizontal excitation in the rotor. This rapid in time variable coupling due to crack is used at last in order to detect the crack presence. The external excitation is used also in the case of wear detection since results of time-frequency analysis yield unexpected amplification of specific harmonics when the wear defect is present. Both considerations about the corresponding fault detection are tried in a real experimental system after the observation that response of the current rotor bearing simulation converges with the response of the physical system in characteristics that are judged important for the method robustness. The general speculation is that both defects have to be detected without the need of operation interruption since this cannot be feasible (high cost) in real turbo machinery plants and in an early growth that coincides with safe machine operation. The defect growths have to be at least 10% (of radius) for the crack and 20% (of radial clearance) for bearing wear so as the methods to be efficient. / Η συγκεκριμένη διατριβή επικεντρώνεται κυρίως σε δύο κατευθύνσεις του αντικειμένου της δυναμικής των περιστρεφόμενων αξόνων: την προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων και την ανίχνευση βλαβών σ΄αυτά τόσο σε αναλυτικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Από τις συνήθως απαντώμενες βλάβες σε τέτοια συστήματα δύο από αυτές αποτελούν στόχους για τη συγκεκριμένη εργασία: η εγκάρσια ρωγμή λόγω κόπωσης του άξονα και η ακτινική φθορά των εδράνων ολίσθησης. Η εγκάρσια ρωγμή είναι μία βλάβη ικανή να επιφέρει ολοκληρωτική καταστροφή της μηχανής στην οποία παρουσιάζεται, όταν η έκτασή της υπερβαίνει το 60% περίπου της διαμέτρου και τα συμπτώματα της ρωγμής στην ταλαντωτική συμπεριφορά του συστήματος έχουν εκτενώς διερευνηθεί τις τελευταίες δεκαετίες, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη ποικίλων μεθόδων για την έγκαιρη ανίχνευση της βλάβης. Αντιθέτως, η φθορά των εδράνων αποτελεί μία βλάβη πολύ λιγότερο διερευνημένη συγκριτικά με τη ρωγμή, χωρίς αποτελέσματα για την διάγνωσή της κατά τη λειτουργία της μηχανής. Έχοντας υπ’ όψη τις εργασίες των προηγουμένων ετών στο αντικείμενο της ανίχνευσης αυτών των δύο βλαβών, η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο πρωτίστως να προτείνει μεθόδους για την ανίχνευση της φθοράς του εδράνου και δευτερευόντως να επιτύχει την ανίχνευση της ρωγμής με ένα διαφορετικό ως προς τη φιλοσοφία, και απλό ως προς την εφαρμογή τρόπο, αναφορικά με τις μέχρι σήμερα μεθόδους. Για το αντικείμενο της ανίχνευσης της ρωγμής, προτείνεται αρχικά μία διαφορετική προσομοίωση της συμπεριφοράς της κατά την περιστροφή με έμφαση στον υπολογισμό των τοπικών ενδοτικοτήτων σύζευξης κατά την διάρκεια της λειτουργίας του συστήματος, ενώ για το αντικείμενο της ανίχνευσης της φθοράς χρησιμοποιείται ένα ήδη υπάρχον μοντέλο από τη βιβλιογραφία. Και οι δύο βλάβες ενσωματώνονται σε μία νέα ως προς τη βιβλιογραφία προσομοίωση συστήματος αξόνων και εδράνων η οποία αντιμετωπίζει τον άξονα και τα έδρανα ως ένα ενιαίο σύστημα χρησιμοποιώντας τις πιο ακριβείς έως τώρα προσεγγίσεις ταλάντωσης συνεχούς μέσου και της υδροδυναμικής θεωρίας των εδράνων. Η προσομοίωση συστημάτων αξόνων και εδράνων είναι ένα ζήτημα ευρέως διερευνημένο από τις αρχές της δεκαετίας του ΄60 και ορισμένα στοιχεία της παρούσας διατριβής, πάνω στην αντιμετώπιση του θέματος αυτού, έχουν ως στόχο τη βελτίωση με την παρούσα ανάλυση της υπάρχουσας γνώσης, για τον τρόπο που έδρανο και άξονας αλληλεπιδρούν σε διακριτό χρόνο. xxii Το θέμα των μη γραμμικών δυνάμεων του φιλμ λιπαντικού των εδράνων αντιμετωπίζεται σε αυτή τη διατριβή υπολογίζοντας κατευθείαν τις μη γραμμικες δυνάμεις που ασκούνται από το φιλμ στον άξονα. Η παραδοχή αυτή βοηθάει την προσομοίωση ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει σημείο ισσοροπίας λόγω περιδήνησης μεγάλου εύρους ή λειτουργείας σε κρίσιμη ταχύτητα. Επίσης, για λόγους γενικότητας και πληρότητας της προσομοίωσης, δεν γίνεται η κατά κόρον κατά τη βιβλιογραφία παραδοχή του εδράνου απείρου μήκους (infinitely long bearing) ή του εδράνου αμελητέου μήκους (infinitely short bearing). Αυτές οι δύο ακραίες υποθέσεις για το έδρανο επιτρέπουν αναλυτικές εκφράσεις για τη υδροδυναμική λίπανση αλλά δεν απαντώνται απαραίτητα στην πραγματικότητα. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιούνται πεπερασμένα έδρανα τα οποία επιλύονται με ήδη γνωστό και αξιόπιστο τρόπο, όπως πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Η ανάγκη για την παρουσία εσωτερικής (υστερητικής) απόσβεσης στην προσομοίωση του συνεχούς άξονα είναι αναπόφευκτη, από τη στιγμή που απαιτούνται λύσεις πάνω στο συντονισμό, ούτως ώστε να αναδειχθούν οι επιδράσεις των βλαβών, που στη περιοχή του συντονισμού γίνονται εντονώτερες. Ο απειρισμός της απόκρισης, απουσία εσωτερικής απόσβεσης, δεν αφήνει περιθώρια για διερεύνηση των επιπτώσεων των βλαβών πάνω στην κατάσταση συντονισμού και για το λόγο αυτό η εσωτερική υστερητική απόσβεση ενσωματώνεται προκειμένου να επιτρέψει υπολογισμό της απόκρισης. Ο τρόπος με τον οποίο εισάγεται η υστερητική απόσβεση δεν διαφοροποιείται από τη βιβλιογραφία καθώς η απόσβεση εισάγεται με τη χρήση του μιγαδικού μέτρου ελαστικότητας και διάτμησης αλλά η επίλυση του προβλήματος αντιμετωπίζεται με τη χρήση μόνο πραγματικών αριθμών προκειμένου να είναι εφικτή η εισαγωγή των εδράνων στο σύστημα. Διεξάγεται μια εκτεταμένη ανάλυση των χρονοσειρών του συστήματος με και χωρίς βλάβη, προκειμένου να διερευνηθούν τα συμπτώματα κάθε βλάβης στα πεδία χρόνου και συχνότητας. Η ανάλυση χρόνου-συχνότητας εκτελείται χρησιμοποιώντας το Συνεχή Μετασχηματισμό Wavelets (CWT) στις πειραματικές και αναλυτικές χρονοσειρές προκειμένου να εξαχθεί το μεταβλητό φαινόμενο συζεύξεων που οφείλεται αποκλειστικά στην ανοιγοκλείνουσα ρωγμή, από τους άλλους δύο κύριους λόγους της σύζευξης, δηλ. αυτούς των ανισότροπων εδράνων και των συζευγμένων εξισώσεων του περιστρεφόμενου άξονα. Εδώ χρησιμοποιήθηκε η ιδέα της χρήσης εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού διεγέρτη οριζόντιας διεύθυνσης, κατάλληλης συχνότητας και εύρους, ώστε να αναδειχθούν χαρακτηριστικά των βλαβών κατά τη λειτουργία. Η κατακόρυφη απόκριση, εξ αιτίας της σύζευξης ταλαντώσεων λόγω της ρωγμής, ενισχύεται όταν η ρωγμή βρίσκεται σε θέση όπου οι ενδοτικότητες σύζευξης γίνονται μεγαλύτερες, σε σχέση με την οριζόντια διεύθυνση xxiii εφαρμογής της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης στον άξονα. Αυτή η μεταβλητή σύζευξη παρουσιάζεται μόνο λόγω της ρωγμής και χρησιμοποιείται τελικά για την ανίχνευσή της. Η εξωτερική διέγερση χρησιμοποιείται επίσης και στην περίπτωση της ανίχνευσης φθοράς, δεδομένου ότι η ανάλυση των ταλαντώσεων στο πεδίο του χρόνου ή της συχνότητας, δείχνει ότι ενισχύονται συγκεκριμένες αρμονικές όταν η φθορά υπεισέρχεται στο σύστημα. Και οι δύο μέθοδοι για την αντίστοιχη ανίχνευση των βλαβών δοκιμάζονται σε ένα πραγματικό πειραματικό σύστημα. Η φιλοσοφία της μεθόδου ανίχνευσης των βλαβών βασίζεται στο ότι και οι δύο βλάβες πρέπει να ανιχνευθούν κατά τη λειτουργία του συστήματος. Πράγματι, υπάρχει η ανάγκη για έγκαιρη διάγνωση των βλαβών, σε πρώϊμο στάδιό τους, στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί ανάμεσα σε δύο διαδοχικές συντηρήσεις διασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία των μηχανών. Η έκταση των προς ανίχνευση βλαβών πρέπει να είναι τουλάχιστον 20% (της ακτίνας) για τη ρωγμή και 20% (της ακτινικής χάρης) για την φθορά έτσι ώστε η μέθοδος ανίχνευσης να χαρακτηρίζεται αποδοτική. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι: Η προσομοίωση ενός περιστρεφομένου και εσωτερικά αποσβενύμενου συνεχούς άξονα, εδραζομένου σε φθαρμένα ή μη πεπερασμένα έδρανα ολίσθησης. Η προσομοίωση και ο υπολογισμός των τοπικών καμπτικών ενδοτικοτήτων σύζευξης της περιστρεφόμενης ανοιγοκλείνουσας ρωγμής και η προσομοίωση των συζευγμένων ταλαντώσεων του ρηγματωμένου συστήματος άξονα-εδράνων. Η αναλυτική και πειραματική εφαρμογή του ρηγματωμένου και του φθαρμένου συστήματος και η διερεύνηση των επιδράσεων της ρωγμής και της φθοράς στην ταλαντωτική του συμπεριφορά. Η ανάπτυξη μεθόδων έγκαιρης ανίχνευσης της ρωγμής και της φθοράς.

Το πρόβλημα που αντιμετωπίζει η διατριβή αφορά στη μοντελοποίηση μη-στασίμων τυχαίων ταλαντώσεων επί τη βάσει μετρήσεων του σήματος της ταλάντωσης, μέσω μοντέλων FS-TAR/TARMA. Οι στόχοι της διατριβής περιλαμβάνουν την αποτίμηση της εφαρμοσιμότητας των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση της ταλάντωσης χρονικά μεταβαλλόμενών κατασκευών, καθώς και τη σύγκρισή τους με εναλλακτικές παραμετρικές μεθόδους του πεδίου του χρόνου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται και στην αντιμετώπιση θεμάτων που σχετίζονται με την εκτίμηση μοντέλων FS-ΤAR/TARMA, καθώς και στην θεωρητική ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών που χρησιμοποιούνται. Η διατριβή αρχικά παρουσιάζει μια συγκριτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας στο θέμα της μοντελοποίησης μη-στασίμων ταλαντώσεων μέσω παραμετρικών μεθόδων του πεδίου του χρόνου, η οποία και επιδεικνύει τα πλεονεκτήματα των μεθόδων FS-TAR/TARMA. Στη συνέχεια αντιμετωπίζεται μια σειρά προβλημάτων που εμφανίζονται κατά την εκτίμηση (των παραμέτρων) και την επιλογή της δομής του μοντέλου. Η αποτελεσματικότητα των μεθόδων FS-TAR/TARMA για την μοντελοποίηση και ανάλυση μη-στάσίμων ταλαντώσεων επιδεικνύεται και πειραματικά μέσω εφαρμογής στην οποία πραγματοποιείται επιτυχής εξαγωγή των δυναμικών χαρακτηριστικών μιας εργαστηριακής χρονικά μεταβαλλόμενης κατασκευής. Στη συνέχεια, η διατριβή εστιάζει στην αναζήτηση ακριβέστερων εκτιμητριών, καθώς και στην ασυμπτωτική ανάλυση των ιδιοτήτων των εκτιμητριών «γενικών» (όχι αναγκαστικά περιοδικά μεταβαλλόμενων) μοντέλων FS-TAR/TARMA. Συγκεκριμένα, εξετάζονται οι περιπτώσεις των εκτιμητριών σταθμισμένων ελαχίστων τετραγώνων [Weighted Least Squares (WLS)], μέγιστης πιθανοφάνειας [Maximum Likelihood (ML)], καθώς και μια εκτιμήτρια πολλαπλών σταδίων [Multi Stage (MS)], η οποία αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή και είναι ασυμπτωτικά ισοδύναμη με την εκτιμήτρια ML ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από μειωμένη υπολογιστική πολυπλοκότητα. Στη διατριβή αποδεικνύεται η συνέπεια (consistency) των εκτιμητριών αυτών και εξάγεται η ασυμπτωτική κατανομή (asymptotic distribution) τους. Παράλληλα, αναπτύσσεται μια συνεπής εκτιμήτρια του ασυμπτωτικού πίνακα συνδιασποράς και μια μέθοδος για τον έλεγχο εγκυρότητας των μοντέλων FS-TAR/TARMA. Η ορθότητα των αποτελεσμάτων της ασυμπτωτικής ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω μελετών Monte Carlo. / The thesis studies the problem of non-stationary random vibration modeling and analysis based on available measurements of the vibration signal via Functional Series Time-dependent AutoRegressive / AutoRegressive Moving Average (FS-TAR/ TARMA) models. The aims of the thesis include the assessment of the applicability of FS-TAR/TARMA methods for the modeling and analysis of non-stationary random vibration, as well as their comparison with alternative time-domain parametric methods. In addition, significant attention has been paid to the FS-TAR/TARMA estimation problem and to the theoretical asymptotic analysis of the estimators. A critical overview and comparison of time-domain, parametric, non-stationary random vibration modeling and analysis methods is firstly presented, where the high potential of FS-TAR/TARMA methods is demonstrated. In the following, a number of issues concerning the FS-TAR/TARMA model (parameter) estimation and model structure selection are considered. The effectiveness of the FS-TARMA methods for non-stationary random vibration modeling and analysis is experimentally demonstrated, through their application for the recovery of the dynamical characteristics of a time-varying bridge-like laboratory structure. In the sequel, the thesis focuses on the asymptotic analysis of “general” (that is not necessarily periodically evolving) FS-TAR/TARMA estimators. In particular, the Weighted Least Squares (WLS) and Maximum Likelihood (ML) estimators are both investigated, while a Multi Stage (MS) estimator, that approximates the ML estimator at reduced complexity, is developed. The consistency of the considered estimators is established and their asymptotic distribution is extracted. Furthermore, a consistent estimator of the asymptotic covariance matrix is formulated and an FS-TAR/TARMA model validation method is proposed. The validity of the theoretical asymptotic analysis results is assessed through several Monte Carlo studies.

The current research work aims at the development of Biomedical Neuroengineering tools (Biotechnologies) for the in-depth functional study, rapid diagnosis, continuous monitoring and well-timed management of acute and chronic brain disorders, of individuals that are subjected to or suffer from any kind of systemic hypoxaemia or more localized brain hypoxia; as well as the functional assessment and continuous control of adaptability during the training of “altinauts” and generally of individuals that practice activities and function within environments of increased visual-cognitive-motor response demands (a type of brain “stress test”). For this purpose, we subject the entire visuocognitive system, from the elementary sensory to the most complex cognitive level, to an experimental test of categorical discrimination of complex visuocognitive stimuli, following ultra-rapid visual stimulation that leads to a motor response upon categorization of targets (images of animals elicit productive responses) and to its suppression upon categorization of nontargets (images of nonanimals elicit inhibitory responses). The oscillatory electro-physiological responses that are concurrently recorded at the occipital-temporal-parietal brain areas are analyzed in the time-domain (<20Hz) and in the joint time-frequency domain broadband (1-60Hz) with the Continuous Wavelet Transform that optimizes the multiresolution analysis of the high frequency (≥20Hz) γ-band oscillatory activity. This visuocognitive categorization test takes place in normoxaemic as well as hypoxaemic conditions (monitored reduction in the blood oxygen saturation from ≥97% to around 80% under conditions of hypobaric hypoxia within a hypobaric chamber), in order to assess electrophysiological markers that can detect and capture in the most sensitive and dynamic way even so transient, short-living and rather mild changes in brain function. The statistical parametric analysis of the time-frequency maps and the generalized, statistically safer, method of analysis of variance have established as the most sensitive and reliable the following markers: the major deflections of the evoked potentials, the phase-coherence factor of the oscillations across single-trials and the elicited energy of the evoked/phase-locked and the induced/total oscillatory activity. These electrophysiological markers in conjunction with psychometric tests allow for the investigation of the stages/levels of the decline as well as of the compensatory reserves in the visual-perceptive and cognitive-mental brain functions in order to determine the functional sensitivity thresholds of different brain functions to hypoxia. They open up the way for the functional characterization, the diagnosis and monitoring of brain insults or other acute and chronic pathological brain conditions. / Η παρούσα ερευνητική εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη εργαλείων Βιοϊατρικής Νευρομηχανικής (Βιοτεχνολογίες) για την σε βάθος λειτουργική μελέτη, ταχεία διάγνωση, συνεχή παρακολούθηση και έγκαιρη αντιμετώπιση οξέων και χρόνιων εγκεφαλικών διαταραχών, ατόμων που υπόκεινται σε ή πάσχουν από οιαδήποτε μορφή συστηματικής υποξαιμίας ή πιο εντοπισμένης εγκεφαλικής υποξίας, καθώς και για την λειτουργική αξιολόγηση και το συνεχή έλεγχο της προσαρμοστικότητας κατά την εξάσκηση των «υψιβατών», και γενικότερα ατόμων που ασκούν δραστηριότητες και λειτουργούν μέσα σε περιβάλλοντα αυξημένων οπτικο-γνωστικο-κινητικών απαιτήσεων (ένα είδος «στρες τεστ» για τον εγκέφαλο). Για το σκοπό αυτό υποβάλλουμε ολόκληρο το οπτικογνωστικό σύστημα, από το στοιχειώδες αισθητηριακό έως το πιο πολύπλοκο νοητικό επίπεδο, σε μια πειραματική δοκιμασία κατηγορικής διάκρισης σύνθετων οπτικογνωστικών ερεθισμάτων, μετά από υπερταχεία οπτική διέγερση που οδηγεί στην έκλυση κινητικής απάντησης κατά την κατηγοριοποίηση στόχων (εικόνες «ζώων» εκλύουν παραγωγικές αποκρίσεις) και στην καταστολή της κατά την κατηγοριοποίηση μη-στόχων (εικόνες «μη-ζώων» εκλύουν ανασταλτικές αποκρίσεις). Οι ταλαντωτικές ηλεκτροφυσιολογικές αποκρίσεις που συγχρόνως καταγράφονται στις ινιακές-κροταφικές-βρεγματικές περιοχές του εγκεφάλου αναλύονται στο πεδίο του χρόνου (<20Hz) και στο συζευγμένο χρονοφασματικό πεδίο ευρυζωνικά (1-60Hz) με το συνεχή μετασχηματισμό του κυματίου που βελτιστοποιεί την πολυφασματική ανάλυση της υψίσυχνης (≥20Hz) γ-ταλαντωτικής δραστηριότητας. Αυτή η δοκιμασία οπτικογνωστικής κατηγοριοποίησης λαμβάνει χώρα τόσο σε νορμοξαιμικές όσο και υποξαιμικές συνθήκες (ελεγχόμενη μείωση στον κορεσμό του αίματος σε οξυγόνο από ≥97% γύρω στο 80% για 15 λεπτά κάτω από συνθήκες υποβαρικής υποξίας μέσα σε υποβαρικό θάλαμο), προκειμένου να ελέγξουμε ηλεκτροφυσιολογικούς δείκτες που μπορούν να ανιχνεύσουν και να συλλάβουν με τον πιο ευαίσθητο και δυναμικό τρόπο ακόμη και τόσο βραχύβιες και σχετικά ήπιες μεταβολές της εγκεφαλικής λειτουργίας. Η στατιστική παραμετρική ανάλυση των χρονοφασματικών χαρτών και η γενικευμένη, στατιστικά πιο ασφαλής, μέθοδος ανάλυσης των διακυμάνσεων ανέδειξαν ως πλέον ευαίσθητους και αξιόπιστους τους ακόλουθους δείκτες: τις κύριες αιχμές των προκλητών δυναμικών, τον παράγοντα φασικής συνάφειας των ταλαντώσεων μεταξύ των μοναδιαίων καταγραφών και την εκλυόμενη ενέργεια των προκλητών/φασικά-κλειδωμένων και επαγόμενων/ολικών ταλαντώσεων. Οι ηλεκτροφυσιολογικοί αυτοί δείκτες σε συνδυασμό με ψυχομετρικές δοκιμασίες επιτρέπουν τη διερεύνηση των σταδίων/επιπέδων κάμψης καθώς και των αποθεμάτων αντιρρόπησης των οπτικο-αντιληπτικών και γνωστικών-νοητικών λειτουργιών του εγκεφάλου για τον καθορισμό των λειτουργικών ουδών ευαισθησίας διάφορων εγκεφαλικών λειτουργιών στην υποξία. Ανοίγουν μάλιστα το δρόμο. για το λειτουργικό χαρακτηρισμό, τη διάγνωση και την παρακολούθηση εγκεφαλικών προσβολών ή άλλων οξέων και χρόνιων παθολογικών καταστάσεων του εγκεφάλου.