Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το θέμα που πραγματεύεται είναι η μελέτη των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Τα κύρια αντικείμενα που ερευνώνται είναι δύο. Το πρώτο είναι η ανάλυση και η κατανόηση της ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς κινητήρων διπλού κλωβού με διαφορετικά υλικά στις αυλακώσεις του δρομέα. Το δεύτερο είναι η μελέτη σφαλμάτων δρομέα σε μηχανές διπλού κλωβού και οι μέθοδοι διάγνωσης αυτών. / This thesis was carried out at the Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. The subject matter is the study of three-phase Asynchronous Double Cage Induction Motors with Different Rotor Bar Materials (motor double cage with different materials in the slots of the rotor). The main objects that are being investigated are two. The first is the analysis and understanding of the electromagnetic behaviour of double cage motors with different materials in the slots of the rotor. The second is the study of faults in the rotor in machines dual cage and the diagnostic methods.

Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής (Dye Sensitized Solar Cells, DSSCs) κίνησαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας ύστερα από την πρωτότυπη δημοσίευση του 1991 των Grätzel και O' Regan. Προτάθηκαν ως μία φθηνή εναλλακτική λύση σε σύγκριση με τα συμβατικά ηλιακά στοιχεία από άμορφο πυρίτιο (amorphous silicon). Οι κύριοι παράγοντες που οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να στραφεί προς αυτή την κατεύθυνση ήταν η ευκολία σύνθεσης των χρωστικών με σχετικά απλές χημικές διαδικασίες και η λειτουργία των νέων αυτών φωτοβολταϊκών στοιχείων υπό συνθήκες διάχυτου φωτός. Γενικά, ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο αποτελείται από μία φωτοάνοδο (photoanode), ένα πορώδες υπόστρωμα από ημιαγώγιμο οξείδιο μετάλλου (metal oxide semiconducting film), μία χρωστική που χρησιμοποιείται ως φωτοευαισθητοποιητής (sensitizer), έναν ηλεκτρολύτη (electrolyte) και ένα αντιηλεκτρόδιο (counter electrode), το οποίο, συνήθως, επικαλύπτεται με ένα λεπτό στρώμα από πλατίνα (Pt). Η κύρια διεργασία που λαμβάνει μέρος σε ένα DSSC, μετά από την απορρόφηση φωτός, είναι μία διεπιφανειακή μεταφορά φορτίου (interfacial electron transfer IET) από την ηλεκτρονιακά διεγερμένη στάθμη της χρωστικής προς τη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού. Η χρονική της διάρκεια είναι της τάξεως των μερικών εκατοντάδων fs και κατατάσσεται στα υπερταχέα φαινόμενα. Ο όρος που έχει επικρατήσει, για τη διεργασία αυτή στα DSSCs, είναι έκχυση ηλεκτρονίων (electron injection) και χρησιμοποιείται στην παρούσα διπλωματική εργασία. Η τεχνική της φασματοσκοπίας φθορισμού χρονικής ανάλυσης με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs, αποτελεί μία από τις πιο αξιόπιστες και άμεσες τεχνικές για την καλύτερη δυνατή καταγραφή υπερταχέων φαινομένων, όπως η έκχυση ηλεκτρονίων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της έκχυσης ηλεκτρονίων με τη χρήση δύο νέων οργανικών χρωστικών, της μορφής D-π-A, ως φωτοευαισθητοποιητές σε DSSCs με την τεχνική αυτή.Στο πρώτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία γενική επισκόπηση των βασικών αρχών που διέπουν τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με ευαισθητοποίηση χρωστικής. Αρχικά, γίνεται αναφορά στα μέρη που αποτελούν ένα τέτοιο φωτοβολταϊκό στοιχείο και ακολούθως στα υλικά και στις διεργασίες οι οποίες συμμετέχουν σε ένα ολοκληρωμένο DSSC.Στο δεύτερο κεφάλαιο επιχειρείται, στο πρώτο σκέλος, μία γενική ανασκόπηση της θεωρίας του Markus για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων (Markus Theory). Έπειτα, πραγματοποιείται μία αναλυτική επισκόπηση της δυναμικής και κινηματικής των διεργασιών που συντελούνται στα DSSCs. Συνεχίζοντας στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται πληροφορίες σχετικές με τα υποστρώματα και τις χρωστικές που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Το κεφάλαιο επικεντρώνεται στην περιγραφή των υποστρωμάτων TiO2 και ΖnO, τα οποία αποτελούν τα κύρια υποστρώματα που χρησιμοποιούνται στα DSSCs. Στο δεύτερο σκέλος του κεφαλαίου, πραγματοποιείται αναφορά στις ιδιότητες που οφείλουν να πληρούν οι χρωστικές, για τη χρήση τους στα DSSCs, καθώς και εκτενής ανασκόπηση των χρωστικών, οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί, μέχρι σήμερα, ως φωτοευαισθητοποιητές. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μηχανισμοί που συμμετέχουν κατά την αποδιέγερση ενός οργανικού μορίου και οι χρονικές κλίμακες, που αυτοί εμφανίζονται (διάγραμμα Jablonski). Επίσης, γίνεται αναφορά στις πληροφορίες που εξάγονται από τα φάσματα σταθερής κατάστασης (steady state spectra) και χρονικής ανάλυσης (time-resolved spectra), καθώς και η μεταξύ τους σύγκριση. Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διάταξης, η οποία χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή των πειραματικών δεδομένων. Τέλος, στα τελευταία δύο κεφάλαια (πέμπτο και έκτο) περιγράφεται, στο πρώτο, ο φωτοφυσικός χαρακτηρισμός των δύο νέων οργανικών χρωστικών, ΜΖ-173 και ΜΖ-175, της δομής D-π-Α, σε διάλυμα THF και σε στερεό υπόστρωμα TiO2 αντίστοιχα, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως το υπόστρωμα προσρόφησης των χρωστικών. Ακολούθως, μελετήθηκε η δυναμική και η απόδοση της έκχυσης των ηλεκτρονίων από τις χρωστικές αυτές προς το ημιαγώγιμο υπόστρωμα TiO2, με χρήση της τεχνικής της φασματοσκοπίας χρονικής ανάλυσης φθορισμού με παλμούς διάρκειας μερικών δεκάδων fs (femtosecond time resolved fluorescence spectroscopy). Ως δείγμα αναφοράς, για την εύρεση της απόδοσης της έκχυσης των ηλεκτρονίων στη ζώνη αγωγιμότητας του ημιαγωγού, χρησιμοποιήθηκε νανοκρυσταλλικό υπόστρωμα Al2O3. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μελέτη της δυναμικής της έκχυσης των ηλεκτρονίων με τη χρήση του μορίου CDCA, ως συνπροσροφητή στην επιφάνεια των υποστρωμάτων TiO2 και Al2O3, μαζί με χρωστική ΜΖ-173, σε διάφορες συγκεντρώσεις. Αυτή η μελέτη έγινε με σκοπό τη μείωση της συσσωμάτωσης των μορίων της χρωστικής, αφού το μόριο CDCA έχει την ιδιότητα, λόγω της δομής του, να κρατά σε απόσταση τα μόρια της χρωστικής. / Dye-sensitized solar cells (DSSCs) have attracted great scientific interest after the first demonstration of Grätzel and O’Regan in 1991. They were proposed as low cost alternatives to the conventional amorphous silicon solar cells. The key factors which led the scientific community to this direction are the simplicity of their fabrication procedures with mild chemical processes and their operation under ambient conditions of diffused light. Generally, a DSSC consists of a photoanode, a nanostructured metal oxide semiconducting film, a dye sensitizer, an electrolyte and a counter electrode which is usually coated with Pt. The fundamental process that takes place in a DSSC, after the absorption of a photon by the dye, is an interfacial electron transfer (IET) from the dye’s electronically excited state to the semiconductor’s conduction band (CB), taking place within a few hundred femtoseconds. The term which is generally used for this process in DSSCs is electron injection. Ultrafast fluorescence upconversion spectroscopy is one of the most precise and direct techniques for the study and interpretation of such phenomena. The main subject of this master thesis is the presentation of two novel synthesized organic dyes with D-π-A structure and their study as photosensitizers for DSSCs. It is focused on the photophycical properties of these two dyes in solution and on titanium dioxide (TiO2) substrate, which is used as the metal oxide semiconducting film, and especially on the dynamics of electron injection process from the dye’s excited state to the conduction band of the TiO2 with the aforementioned technique. Finally, the electron injection dynamics of one of dyes with coadsorption of co-adsorbers also investigated. This type of molecules can decrease the amount of aggregates penetrating among the dye molecules but on the same time they cause a decrease of the total amount of the adsorbed dye molecules.

Τα τελευταία έτη η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός μονοδιάστατων νανοδομών αποκτά αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς συνδυάζουν φαινόμενα από την νάνο κλίμακα με την δυνατότητα χειρισμού τους λόγω του μεγάλου μήκους τους. Εκτός από τα καθιερωμένα υλικά με αυτήν την μορφολογία όπως είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανοράβδοι οξειδίου του ψευδαργύρου και τα νανοκαλώδια πυριτίου μία κατηγορία υλικών που αναπτύσσει τέτοιες νανοδομές είναι τα χαλκογενή Σελήνιο και Τελλούριο γεγονός που εξηγείται από την υψηλής ανισοτροπίας κρυσταλλική τους δομή. Στόχος αυτής της εργασίας είναι η παραγωγή, μέσω φωτοαποδόμησης, νανοσωλήνων Τελλουρίου οι οποίοι μέσω φωτοοξείδωσης μετατρέπονται σε νανοκαλώδια Οξειδίου του Τελλουρίου. Η διερεύνηση της κινητικής του φαινομένου ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος και την ένταση της ακτινοβολίας καθώς και ο χαρακτηρισμός των παραγόμενων νανοδομών γίνεται με φασματοσκοπία Raman. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγουμε ενισχύονται από μία σειρά άλλων πειραματικών μεθόδων όπως περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και διέλευσης (SEM, TEM). / One dimensional (1D) nanostructures of semiconducting oxides and elemental chalcogens culminate over the last decade in nanotechnology owing to their unique properties exploitable in several applications sectors. Whereas several synthetic strategies have been established for rational design of 1D materials using solution chemistry and high temperature evaporation methods, much less attention has been given to the laser-assisted growth of hybrid nanostructures. Here, we present a laser-assisted method for the controlled fabrication of Te nanotubes. A series of light-driven phase transition is employed to controllably transform Te nanotubes to core-Te/sheath-TeO2 and/or even neat TeO2 nanowires. This solid-state laser-processing of semiconducting materials apart from offering new opportunities for the fast and spatially controlled fabrication of anisotropic nanostructures, provides a means of simultaneous growing and integrating these nanostructures into an optoelectronic or photonic device.

The purpose of this research is to investigate the seismic behavior of plane moment resisting frames (MRFs) consisting of concrete filled steel tube (CFT) columns and steel I beams through targeted studies utilizing advanced computational methodologies calibrated on the basis of existing experimental results and to propose a preliminary performance-based seismic design method for this kind of frames. A computational study is conducted first to investigate the nonlinear cyclic response of square concrete-filled steel tubes (CFT) in bending and compression. An accurate nonlinear finite element model is created and its validity is established by comparing its results with those of existing experiments. Using this finite element model, extensive parametric studies are performed to provide information on the hysteretic and deteriorating behavior of CFT columns. Thus, on the basis of this computational study, three simple yet sufficiently accurate concentrated plasticity hysteretic models for simulating the cyclic behavior of square concrete-filled steel tube (CFT) columns, are developed. The seismic behavior of plane MRFs consisting of I steel beams and CFT columns is investigated next. More specifically, the effect of modelling details of each individual component of CFT-MRFs, such as the CFT columns, the beam-column connections, the panel zones and the steel I beams, on their seismic behavior is studied through comparisons against available experimental results. Then, fragility curves are constructed for composite frames for various levels of modelling sophistication through nonlinear time history analyses involving three typical CFT-MRFs which have been designed according to the European seismic design codes. On the basis of these fragility curves, one can select the appropriate modelling level of sophistication that can lead to the desired seismic behavior for a given seismic intensity. The third part of this work deals with the establishment of all the necessary ingredients for this kind of composite frames to be seismically designed by the performance-based hybrid force-displacement (HFD) seismic design method, which combines the advantages of the well-known force-based and displacement-based seismic design methods. Thus, extensive parametric studies are conducted involving nonlinear dynamic analysis of 96 frames under 100 seismic motions in order to create a databank with the response quantities of interest. Based on regression analysis, simple formulae for estimating the maximum roof displacement, the maximum inter-storey drift ratio, the maximum rotation ductility along the height of the frame and the behavior factor are developed. Comparison of the proposed design method with those adopted by current seismic design codes demonstrates that the proposed procedure seems to be more rational and controls deformation better than current seismic design codes. Nonlinear time history analyses proved the consistency of the proposed method to accurately estimate inelastic deformation demands and the tendency of the current seismic design codes to overestimate the maximum roof displacement and underestimate the maximum inter-storey drift ratio along the height of the frames. Finally, comparisons between CFT-MRFs and all steel ones reveal that the CFT-MRFs seem to have better seismic behavior than the all steel ones and seem to be more economical structures. / Ο σκοπός της παρούσας έρευνας είναι να διερευνήσει τη σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με υποστυλώματα από τετραγωνικές χαλύβδινες κοιλοδοκούς γεμισμένες με σκυρόδεμα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι και να προτείνει μία μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα για αυτόν τον τύπο κατασκευών. Αρχικά, διεξάγεται μία υπολογιστική μελέτη ώστε να διερευνηθεί η μη-γραμμική ανελαστική απόκριση υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη των τετραγωνικών σύμμικτων υποστυλωμάτων. Ένα ακριβές και προηγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων δημιουργείται όπου η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του ελέγχεται μέσω συγκρίσεων των αναλυτικών λύσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Κατόπιν, χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, πραγματοποιoύνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες με σκοπό να παραχθούν πληροφορίες σχετικά με την υστερητική συμπεριφορά των σύμμικτων υποστυλωμάτων. Έτσι, στη βάση αυτής της υπολογιστικής μελέτης, τρία απλά και αρκετά ακριβή υστερητικά μοντέλα συγκεντρωμένης πλαστιμότητας αναπτύσσονται για την προσομοίωση της συμπεριφοράς σύμμικτων υποστυλωμάτων υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση και σταθερή θλίψη. Έπειτα, διερευνάται η σεισμική συμπεριφορά επίπεδων καμπτικών πλαισίων με σύμμικτα υποστυλώματα και με μεταλλικές δοκούς τύπου Ι. Πιο συγκεκριμένα εξετάζεται η επίδραση της λεπτομερής μοντελοποίησης των επιμέρους δομικών στοιχείων μια κατασκευής, όπως των σύμμικτων υποστυλωμάτων, των μεταλλικών δοκών, των κόμβων διατμητικής παραμόρφωσης και των συνδέσεων, στη σεισμική συμπεριφορά των πλαισίων μέσω συγκρίσεων με υπαρκτά πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον, διαμορφώνονται καμπύλες τρωτότητας για τρία σύμμικτα πλαίσια σχεδιασμένα με τους Ευρωπαϊκούς κανονισμούς για διάφορα επίπεδα μοντελοποίησης χρησιμοποιώντας μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας. Στη βάση αυτών των καμπυλών τρωτότητας, κάποιος μπορεί να επιλέξει το κατάλληλο επίπεδο πολυπλοκότητας της μοντελοποίησης των σύμμικτων πλαισίων ώστε να οδηγηθεί στην επιθυμητή συμπεριφορά για μια δεδομένη σεισμική ένταση. Το τρίτο μέρος της παρούσας έρευνας πραγματεύεται την ανάπτυξη της διαδικασίας που απαιτείται από την Υβριδική Δυνάμεων-Μετατοπίσεων (ΥΔΜ) μέθοδο αντισεισμικού σχεδιασμού με βάση την επιτελεστικότητα, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου των δυνάμεων και της μεθόδου των μετακινήσεων, ώστε να εφαρμόζεται για τον αντισεισμικό σχεδιασμό σύμμικτων καμπτικών πλαισίων. Έτσι, πραγματοποιούνται εκτενείς παραμετρικές μελέτες περιλαμβάνοντας μη-γραμμικές δυναμικές αναλύσεις σε 96 πλαίσια υπό 100 σεισμικές καταγραφές με σκοπό τη δημιουργία τράπεζας δεδομένων με αποκρίσεις ενδιαφέροντος. Κατόπιν αναλύσεων γραμμικής παλινδρόμησης, απλές σχέσεις προτείνονται που απαιτούνται από την ΥΔΜ μέθοδο οι οποίες συνδέουν τη μέγιστη μετακίνησης κορυφής των πλαισίων με τη στοχευόμενη μέγιστη γωνιακή παραμόρφωσης των ορόφων ή την τοπική στροφική πλαστιμότητα των μελών και την απαιτούμενη συνολική πλαστιμότητας του πλαισίου με τον συντελεστή συμπεριφοράς q. Η σύγκριση της προτεινόμενης ΥΔΜ μεθόδου αντισεισμικού σχεδιασμού με εκείνης που προτείνεται από τον Ευρωπαϊκό κανονισμό αποδεικνύει ότι η προτεινόμενη διαδικασία φαίνεται να είναι πιο ακριβής και ελέγχει καλύτερα τις παραμορφώσεις. Μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοιστορίας δείχνουν την συνέπεια της ΥΔΜ να εκτιμά με ακρίβεια τις απαιτήσεις των ανελαστικών παραμορφώσεων στα διάφορα επίπεδα επιτελεστικότητας σε αντίθεση με την τάση του κανονισμού να υποεκτιμά τη μέγιστη γωνιακή μετακίνησης ορόφων και να υπερεκτιμά την μέγιστη μετακίνηση κορυφής. Τέλος, συγκρίσεις σύμμικτων πλαισίων με σχεδιασμένα πλαίσια εξ’ ολοκλήρου από χάλυβα σύμφωνα με την ΥΔΜ, δείχνουν ότι τα σύμμικτα πλαίσια έχουν καλύτερη σεισμική συμπεριφορά από τα μεταλλικά και φαίνεται να είναι πιο οικονομικές κατασκευές.

Η διενέργεια εμβιομηχανικών μελετών σε μοντέλο με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών βρίσκεται σήμερα σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης. Σε αυτή την εξέλιξη κεντρική θέση κατέχουν λογισμικά δύο κατηγοριών. Στην πρώτη κατηγορία κατατάσσονται τα λογισμικά εμβιομηχανικής προσομοίωσης του ανθρωπίνου σώματος και στη δεύτερη κατηγορία τα λογισμικά ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Σε αυτή τη Μεταπτυχιακή Εργασία έγινε μία προσπάθεια διερεύνηση της συνεργασίας των δύο αυτών κατηγοριών λογισμικού με την κινηματική μελέτη ενός οσφυϊκού σπονδύλου και την ανάλυση φορτίσεών του με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Για αυτό το λόγο επιλέχτηκαν δύο λογισμικά εμπορικά διαθέσιμα. Το λογισμικό εμβιομηχανικής προσομοίωσης Anybody modeling system και το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων Ansys multiphysics. Στο Πρώτο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του λογισμικού Anybody. Πιο συγκεκριμένα. αναφέρονται τα στοιχεία εκείνα που υλοποιούν ένα μοντέλο του ανθρώπινου σώματος (τμήματα, αρθρώσεις, μύες, σύνδεσμοι) καθώς και οι μελέτες που μπορούν να εκτελεστούν δηλαδή η κινηματική και η δυναμική. Κύρια θέση κατέχει η αντιστροφή δυναμική μελέτη που χαρακτηρίζεται από την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις δυνάμεις και τις ροπές που αναπτύσσονται σε ένα σώμα αφού έχει περιγραφεί εκ των προτέρων η κίνησή του. Στο Δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της ανατομίας της σπονδυλικής στήλης στην οποία αναφέρονται τα επιμέρους κοινά στοιχεία που έχουν οι σπόνδυλοι καθώς κου οι διαφορές στις διαφορετικές μοίρες της σπονδυλικής στήλης. Μετά την ανατομική περιγραφή παρατίθεται η εμβιομηχανική θεώρηση της κατασκευής της οσφυϊκής μοίρας της σπονδυλικής στήλης, αναλύοντας τα επιμέρους δομικά στοιχεία από μηχανική άποψη και η λειτουργικότητά τους. Στο Τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η κατασκευή ενός μοντέλου της σπονδυλικής στήλης στο λογισμικό Anybody το οποίο υποβάλλεται σε κινήσεις κάμψης, έκτασης, πλάγιας κάμψης και στροφής και επιχειρείται ο σχολιασμός των ευρημάτων. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο τα δεδομένα τα οποία παράγει η αντίστροφή μελέτη και συγκεκριμένα οι φορτίσεις που δέχεται ο Ο5 σπόνδυλος κατά τις κινήσεις στις οποίες υποβάλλεται η οσφυϊκή μοίρα χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου για την ανάλυση του Ο5 σπόνδυλο με το λογισμικό μηχανικής ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Συνοψίζοντας, η συνεργασία των δύο λογισμικών αποδείχθηκε εφικτή και πρόσφορη. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αναπτύχθηκε η βασική τεχνογνωσία ως προς την χρήση του λογισμικού Anybody Modeling System και την συστηματοποίηση της διασύνδεσης του με το λογισμικό Ansys με αποτέλεσμά να αποτελεί την βάση για περαιτέρω εργασίες. / The conduction of biomechanical studies on models with the aid of computers is currently at an advanced stage. In this essay, the central position is hold by two software categories. In the first category are classified various software of biomechanical simulation of the human body and in the second category are classified the software for the finite element analysis. In this Master Thesis was made an attempt to explore the cooperation of these two kinds of software. For this reason, two commercially available softwares were selected. The biomechanical simulation was performed using the Anybody Modeling System software and the finite element analysis was performed using the Ansys Multiphysics software. In the first chapter the use of the Anybody software was presented. More specifically, those elements that implement a model of the human body (segments, joints, muscles, ligaments) as well as studies that can be performed i.e. the kinematics and dynamics studies were discussed in details. The inverse dynamics study has been characterized as the main feature of the software allowing to explore the resulting forces and torques developed in a body during the in advance described movement. The second chapter includes a detailed description of the anatomy of the spine. After the anatomical description the biomechanical approach is presented, analyzing each individual component from engineering point of view as well as their functionality. The third chapter describes the construction of a model of the spine in the Anybody software that is subjected to flexion, extension, lateral bending and rotation along with the results. Finally, in the fourth chapter the data that produces the inverse study namely the loads applied to the L5 vertebra during each movement performed by the lumbar spine are used as input data for the mechanical analysis of L5 vertebra with the finite element analysis software ANSYS. As a conclusion, the collaboration of these two software programmes proved to be feasible and appropriate. In this master thesis the basic knowledge in the use of software Anybody Modeling System has been developed and an interface with the software Ansys has been built thus forming the basis for further work.

Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης των διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μορφοποίηση και συνένωση κατασκευαστικών στοιχείων από σύνθετο υλικό, με κριτήριο την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος. Στην μεθοδολογία που προτείνεται, η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της μονάδας παραγωγής, μορφοποίησης ή συγκόλλησης των κατασκευαστικών στοιχείων θεωρούνται μεταβλητές. Επομένως, για την βελτιστοποίηση της αντίστοιχης διεργασίας με κριτήρια την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος θεωρούνται ως μεταβλητά μεγέθη τόσο οι τιμές των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. πίεση, θερμοκρασία, χρόνος κλπ.) όσο και η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της σχετικής μονάδας για την εφαρμογή της διεργασίας (π.χ. διάταξη και τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας θέρμανσης). Η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί στο σύνολο των διεργασιών που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά και ευκολότερα σε διεργασίες στις οποίες είναι δυνατή η άμεση επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας και η μεταβολή των διατάξεων της χρησιμοποιούμενης συσκευής∙ βασίζεται στην θεώρηση ότι σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος καθώς και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος είναι ο κύκλος θέρμανσης που θα επιλεγεί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και ειδικότερα του κύκλου θέρμανσης στα προκαθορισμένα χαρακτηριστικά ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος (π.χ. κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες) καθώς και συσχέτιση των παραπάνω παραμέτρων με το τελικό κόστος παραγωγής, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της εκτίμησης κόστους με βάση τη δραστηριότητα (Activity Based Costing method). Από την παραπάνω διερεύνηση προκύπτουν οι συναρτήσεις ποιότητας, οι οποίες κυρίως από το υλικό που χρησιμοποιείται, και οι συναρτήσεις εκτίμησης κόστους, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την διεργασία. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των παραπάνω συναρτήσεων είναι διαθέσιμα, κυρίως από την βιομηχανία. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας στις περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμα επαρκή πειραματικά δεδομένα, γίνεται προσομοίωση του κύκλου θέρμανσης με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με την βοήθεια της οποίας κατασκευάζονται παραμετρικά μοντέλα, όπου εφαρμόζεται ‘εικονικά’ ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών κύκλων θέρμανσης και υπολογίζονται τα θερμικά μεγέθη που αντιστοιχούν στον καθένα (χρόνος και ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία υλικού και κατανομή αυτής κλπ.). Τα μεγέθη αυτά αξιοποιούνται στην συνέχεια για τον υπολογισμό των μεγεθών ποιότητας και του κόστους κάνοντας χρήση των Συναρτήσεων Ποιότητας και των Συναρτήσεων Εκτίμησης Κόστους αντίστοιχα. Ο βέλτιστος συνδυασμός των παραμέτρων της διεργασίας και του κύκλου θέρμανσης καθώς και των ορίων που μπορούν να κυμαίνονται αυτά ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για την εξασφάλιση των προκαθορισμένων χαρακτηριστικών ποιότητας με το μικρότερο δυνατό κόστος, προκύπτει μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας βελτιστοποίησης. Για την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας βελτιστοποίησης αναπτύχθηκε και προτείνεται ένα υπολογιστικό εργαλείο-λογισμικό, το LTSM-OPT (Laboratory of Technology and Strength of Materials Process Optimization Tool). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο νέες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, την διεργασία ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα (‘cold’ diaphragm forming) και την διεργασία συγκόλλησης με λέιζερ (laser transmission welding). Στο πλαίσιο αυτό, ο κύκλος θέρμανσης, που περιλαμβάνεται και στις δύο υπό εξέταση διεργασίες, προσομοιώθηκε με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την ‘εικονική’ εφαρμογή των αντίστοιχων κύκλων θέρμανσης στο υλικό που εξετάστηκε. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LTSM-OPT, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι των παραπάνω διεργασιών και οι αντίστοιχοι κύκλοι θέρμανσης για την παραγωγή του θόλου ελικοπτέρου καθώς και για την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στο εσωτερικό μέρος της ατράκτου αεροσκαφών, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας αξιολογήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν από την εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων EUROCOPTER και την εταιρεία κατασκευής αεροσκαφών AIRBUS για την εγκατάσταση μίας νέας μονάδας ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα και την παραγωγή πρωτοτύπων θόλων ελικοπτέρου, καθώς και για την ρύθμιση της διάταξης του υπάρχοντος συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ διόδου και την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στην άτρακτο αεροσκαφών, αντίστοιχα. / In the framework of the current PhD thesis, a generic concept for the optimization of manufacturing processes of composite material components with regard to product’s quality and cost is introduced. In the proposed concept the configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. For processes offering flexibility in selecting process features and parameters, the concept can be applied straight forward. The proposed concept relies on the consideration of the processes thermal cycle as essential for both the quality and cost of the produced part. It involves a quality sensitivity analysis based on experimental data, which relates the values of the thermal cycle parameters to predefined quality characteristics (e.g. critical mechanical properties) as well as a cost analysis by relating the parameters of the thermal cycle to cost data using the Activity Based Costing (ABC) methodology. Outcome of the above analyses is the derivation of the material dependent Quality Functions (QFs) along with the derivation of the process dependent Cost Estimation Relationships (CERs). The configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. To achieve this, the heating process has been simulated by developing a parametric Finite Element model, so as to virtually conceive heating units and calculate the corresponding thermal cycles. The latter are exploited to calculate quality and cost values using the derived QFs and CERs. The optimal thermal cycle which leads to minimum cost that satisfies the design and quality requirements, along with the allowable thermal cycle windows, is derived, by involving an iterative optimization procedure. To carry out the optimization procedure a suitable software tool, the LTSM-OPT tool, is developed and introduced. The proposed concept has been applied to optimize the ‘cold’ Diaphragm Forming (CDF) process, as well as, the Laser Transmission Welding process (LTW). The thermal sub-process involved in the processes under consideration is numerically simulated such as to allow for the virtual application of the respective thermal cycle on the material. Using the developed software the features of the CDF heating system and the LTW system configuration along with the optimal thermal cycle for producing a helicopter canopy as well as for welding stiffeners on the aircraft fuselage skin, respectively, were obtained. The results of the first study were successfully exploited by EUROCOPTER to install a new flexible CDF facility and produce helicopter canopies by applying the derived optimal thermal cycle. As well, the results of the latter analysis were successfully exploited by AIRBUS to configure and adapt a laser diode source device to weld stiffeners and riblets to the aircraft fuselage skin, and thus produce integral aeronautic structures, by applying the optimized solution derived from the present study.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας προσδιορισμού της κατανομής της σκληρότητας και του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης που προκαλείται σε ένα εξάρτημα το οποίο έχει υποστεί Σκλήρυνση μέσω Λείανσης (Grind-Hardening). Η διεργασία Σκλήρυνσης μέσω Λείανσης είναι μία νέα επιφανειακή θερμική κατεργασία η οποία χρησιμοποιεί την θερμότητα που αναπτύσσεται στην ζώνη λείανσης για την θερμική κατεργασία του κομματιού. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων ικανών να προβλέψουν τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας (δηλ. τη τοπογραφία της επιφάνειας του λειαντικού τροχού, τις δυνάμεις κατεργασίας, την παραγωγή και τον επιμερισμό της θερμότητας και την θερμοκρασιακή κατανομή). Τα μοντέλα αυτά συνδυαζόμενα επιτρέπουν τον προσδιορισμό της κατανομής σκληρότητας και του βάθος δι-είσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει των παραμέτρων της διεργασίας και των χαρακτηριστικών του λειαντικού τροχού που χρησιμοποιείται. Παράλληλα, η εφαρμογή των μοντέλων αυτών οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τα όρια εφαρμογής της διεργασίας. Μετά την επιβεβαίωση των θεωρητικών προβλέψεων, εξάχθηκε βάση δεδομένων υπολογισμού του βάθους διείσδυσης της σκλήρυνσης συναρτήσει της ροής θερμότητας στο κομμάτι και των παραμέτρων της διεργασίας. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε για την περίπτωση σκλήρυνσης οδηγών κύλισης (raceway). Το σημαντικότερο συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη διατριβή είναι ότι η διεργασία σκλήρυνσης μέσω λείανσης μπορεί να θεωρηθεί αρκετά «ώριμη» ούτως ώστε να μπορεί να εισαχθεί στην βιομηχανική πρακτική για την επιφανειακή σκλήρυνση εξαρτημάτων. Τα διάφορα χαρακτηριστικά της διεργασίας μπορούν να προβλεφθούν ενώ τέθηκαν οι βάσεις δημιουργίας ενός συστήματος παρακολούθησης και προγραμματισμού της διεργασίας. / The objective of the present study is the development of a methodology capable of predicting the hardness distribution and the hardness penetration within a grind-hardened workpiece. Grind-hardening is a novel-alternative surface hardening process that utilizes the heat generated in the grinding zone for the heat treatment of the workpiece material. The present work has employed analytical and numerical modeling techniques for describing the characteristics and output of the process, i.e. the topography of the grinding wheel, the process induced forces, the heat generation and partition and the temperature distribution within the work-piece. These models when coupled allow the estimation of the hardness distribution and the hardness penetration depth as a function of the process parameters and the characteristics of the grinding wheel. Additionally, through the process modeling, the process limitations are identified. After proving the validity of the theoretical predictions, the coupled models were utilized for the extraction of a data base providing the hardness penetration depth as a function of the heat flow entering the workpiece and the process parameters. The developed methodology was used for programming the grind-hardening of raceways. The main conclusion of this work is that grind-hardening process can be nowadays introduced in the industrial practice. The methodology developed, allows the prediction of the process outcome and can be used in the future for setting up an on-line monitoring system and / or develop an off-line process programming system.

Η παρούσα εργασία στοχεύει στην δημιουργία αξιόπιστων προσομοιωμάτων για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς υποστυλωμάτων ενισχυμένων με μανδύα και πρόσθετες στρώσεις από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ειδικότερα στην εργασία διερευνάται η επιρροή της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος, η συστολή ξήρανσης του σκυροδέματος καθώς και η προφόρτιση των αρχικών υποστυλωμάτων στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Για την διερεύνηση της επιρροής του φαινομένου της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην αντοχή του πρόσθετου σκυροδέματος ενίσχυσης, πραγματοποιούνται πειραματικές δοκιμές. Στην συνέχεια και αφού ελέγχεται η αξιοπιστία των προσομοιωμάτων, αυτά χρησιμοποιούνται σε παραμετρική διερεύνηση με σκοπό την εξαγωγή συντελεστών μονολιθικότητας οι οποίοι συσχετίζουν την συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων με αυτή των αντίστοιχων μονολιθικών. Ο υπολογισμός αξιόπιστων τιμών για τους συντελεστές μονολιθικότητας έχει ιδιαίτερη σημασία για τον σχεδιασμό καθώς με την εφαρμογή τους μπορούν εύκολα να εκτιμηθούν τα χαρακτηριστικά των ενισχυμένων στοιχείων. Από την αριθμητική διερεύνηση που πραγματοποιήθηκε, βρέθηκαν οι κατάλληλες παραδοχές με χρήση των οποίων μπορεί να επιτευχθεί αξιόπιστη πρόβλεψη μονολιθικών αλλά και ενισχυμένων στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Ιδιαίτερη σημασία βρέθηκε να έχει το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος ο συνυπολογισμός του οποίου φαίνεται να αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την προσομοίωση της συμπεριφοράς κυρίως των ενισχυμένων στοιχείων. Η προφόρτιση του αρχικού υποστυλώματος βρέθηκε να μην επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα και ο συνυπολογισμός του μπορεί να αγνοείται. Στα τελευταία κεφάλαια της Διατριβής προτείνονται τιμές για τους συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με τον τύπο ενίσχυσης οι οποίες βρέθηκαν να επηρεάζονται από το αξονικό φορτίο και το πάχος του μανδύα ενίσχυσης. Μια συνοπτική παρουσίαση των περιεχομένων κάθε κεφαλαίου ακολουθεί στην συνέχεια. Το πρώτο Κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει την βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος. Περιλαμβάνει ερευνητικές εργασίες που έχουν πραγματοποιηθεί σε ενισχυμένα στοιχεία με πρόσθετες στρώσεις και μανδύες από οπλισμένο σκυρόδεμα. Στην συνέχεια παρουσιάζονται προσομοιώματα που έχουν προταθεί για την συμπεριφορά της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος καθώς και διαδικασίες προσομοίωσης της συμπεριφοράς στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα με χρήση πεπερασμένων στοιχείων. Στο τέλος του Κεφαλαίου παρουσιάζεται μια ανασκόπηση για την ελεύθερη και την δεσμευμένη συστολή ξήρανσης σε στοιχεία σκυροδέματος. Το δεύτερο Κεφάλαιο περιλαμβάνει αρχικά μια αναλυτική προσέγγιση της επιρροής του φαινομένου της συστολής ξήρανσης σε ενισχυμένα στοιχεία από οπλισμένο σκυρόδεμα ενώ στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα πειραματικής διαδικασίας για την διερεύνηση της επιρροής της δεσμευμένης συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των χαρακτηριστικών του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα αυτά χρησιμοποιούνται για την διερεύνηση της αξιοπιστίας της προσομοίωσης του φαινομένου της συστολής ξήρανσης. Στο τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων γενικής χρήσης, ΑΝSYS. Αρχικά εξετάζονται διαφορετικές διαδικασίες προσομοίωσης για την ολίσθηση μεταξύ χάλυβα και σκυροδέματος σε μονολιθικά στοιχεία ενώ στην συνέχεια εξετάζεται η προσομοίωση της διεπιφάνειας παλαιού - νέου σκυροδέματος. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσομοίωση μονολιθικών και ενισχυμένων στοιχείων με χρήση του προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων ΑΤΕΝΑ το οποίο απευθύνεται αποκλειστικά στην προσομοίωση στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα. Με το συγκεκριμένο λογισμικό υπάρχει η δυνατότητα προσομοίωσης της συμπεριφοράς των στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα και μετά το μέγιστο της καμπύλης δύναμης μετατόπισης. Επιπλέον προσομοιώνεται και το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η επιρροή της προφόρτισης και της συστολής ξήρανσης στην συμπεριφορά των ενισχυμένων στοιχείων. Στο έκτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται μια παραμετρική διερεύνηση της επιρροής του πάχους του μανδύα ενίσχυσης και της τιμής του αξονικού φορτίου για υποστυλώματα ενισχυμένα με μη συρρικνούμενο σκυρόδεμα. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παραμετρικών αναλύσεων συνυπολογίζοντας το φαινόμενο της συστολής ξήρανσης του σκυροδέματος και υπολογίζονται συντελεστές μονολιθικότητας ανάλογα με το πάχος του μανδύα ενίσχυσης, τη τιμή του ανηγμένου αξονικού φορτίου καθώς και την αντοχή του σκυροδέματος του μανδύα. Στο όγδοο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν ενώ γίνονται και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. / The main aim of the thesis is the development of reliable numerical models to simulate the behaviour of columns strengthened with reinforced concrete jackets or additional layers. Specifically in this work, the effect of concrete shrinkage and the preloading of the initial column are investigated. For the investigation of the concrete shrinkage effect on the strength of the concrete of the jacket, an experimental procedure is performed. The experimental results are used to validate the numerical models and numerical analyses are used to calculate monolithic coefficients that correlate the behaviour of strengthened specimens with respective monolithic specimens. Monolithic coefficient values are of main importance as they can be simply used to estimate the characteristics of strengthened elements. From the numerical investigation, appropriate simulation assumptions for the reliable prediction of the behaviour of monolithic and strengthened reinforced elements have been found. The concrete shrinkage effect was found to be of main importance for the reliable simulation of the monolithic and especially strengthened specimens. The preloading of the initial column was found to have a negligible effect on the behaviour of strengthened specimens. In the final chapters of the thesis, monolithic coefficient values are proposed depending on the type of the jacket, the axial load value and the thickness of the concrete jacket. A brief description of the contents of each chapter follows: The first chapter presents a literature review. Research work involving elements strengthened with additional layers or jackets is initially presented. Then, available proposed models for the behaviour of the interface between the old and the new concrete and assumptions for the simulation of reinforced concrete elements using the finite element method are presented. The end of the chapter concerns a literature review covering free and restrained concrete shrinkage. The second chapter begins by presenting an analytical approximation of the effect of concrete shrinkage in strengthened specimens. Next, experimental results are presented concerning the compressive strength of concrete elements under restrained concrete shrinkage. These results are then used to validate the simulation procedure of the concrete shrinkage effect. The simulation of monolithic and strengthened reinforced concrete elements using the general purpose finite element program ANSYS is presented in the third chapter. Different assumptions for the simulation of bond slip between the steel bars and the concrete and for the interface between the old and the new concrete are examined. In the fourth chapter, the simulation of monolithic and strengthened elements using finite element program ATENA is presented. This software specialises in the simulation of reinforced concrete elements and the behaviour of the elements can be predicted even in the post peak region of the load deflection curve. In addition, the concrete shrinkage effect is simulated. The effect of the preloading of the initial column and the concrete shrinkage on the behaviour of the strengthened specimens is investigated in the fifth chapter. The sixth chapter presents a parametric study concerning the effect of the thickness of the concrete jacket and the axial load value on the behaviour of columns strengthened with a non-shrink concrete. In the seventh chapter, a parametric study is presented for columns strengthened with a normal (subject to shrinkage) concrete and monolithic coefficient values are calculated for different values of the thickness of the jacket, the axial load and the strength of the concrete of the jacket. Conclusions of the thesis are presented in the eighth chapter together with proposals for future research.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάλυση και έλεγχο ρευστοδυναμικών συστημάτων χρησιμοποιώντας έξυπνα υλικά όπως πιεζοκρύσταλλοι για τον σχεδιασμό επενεργητών. Στο Μέρος Ι, εκτιμάται η απόδοση μιας πρωτότυπης πιεζο-υδραυλικής αντλίας με χρήση Πεπερασμένων Στοιχείων. Η συγκεκριμένη διάταξη αποτελείται από ένα έμβολο και δύο παθητικές βαλβίδες με συχνότητα λειτουργίας μεγαλύτερη των 100Hz. Το αναπτυχθέν μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων λαμβάνει υπόψιν την συμπιεστότητα του ρευστού, την περιορισμένη διάδοση του κύματος πίεσης, τυρβώδη ροή και αμφίδρομη αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού των βαλβίδων. Με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων υπολογίστηκε η απόδοση της αντλίας και ακολούθησε παραμετρική βελτιστοποίηση κύριων παραμέτρων της βαλβίδας. Έτσι, έγινε εφικτή η λειτουργία σε υψηλότερες συχνότητες (500Hz) με βελτιωμένη απόδοση. Στην συνέχεια, μελετήθηκε ιδεατό σύστημα με ενεργές βαλβίδες ώστε να αναπτυχθούν τεχνικές ελέγχου του χρονισμού των βαλβίδων. Οι προσομοιώσεις έδειξαν σημαντικά περιθώρια βελτίωσης με ενεργές βαλβίδες, ενώ ανέδειξαν την σημασία της διάδοσης του κύματος, ιδιαίτερα κατά τον συντονισμό. Στο Μέρος ΙΙ, προτάθηκε ένας πρωτότυπος επενεργητής, βασισμένος στην εκμετάλλευση του συντονισμού του ρευστού. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει την μηχανική ολοκλήρωση της αντλίας μέσα στον επενεργητή, ενώ απαιτείται μόνο μια βαλβίδα υψηλής συχνότητας σε αντίθεση με υπάρχοντα συστήματα όπου απαιτούνται δύο (εισαγωγής, εξαγωγής). Ο πρωτότυπος επενεργητής μοντελοποιήθηκε με απευθείας διακριτοποίηση των εξισώσεων Navier Stokes με συμπιεστότητα και εξήχθη ένα μοντέλο χώρου κατάστασης. Παράλληλα με το μοντέλο πιεζοκρυστάλλων και της ροής της βαλβίδας ολοκληρώθηκε το μοντέλο του επενεργητή, ενώ τα βασικά στοιχεία του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν με πειραματικά δεδομένα. Επίσης επιβεβαιώθηκε η αρχή λειτουργίας του προτεινόμενου συστήματος του επενεργητή με πειραματικές μετρήσεις. Στην τελευταία ενότητα της διατριβής αναλύονται βασικά στοιχεία με στόχο την βελτίωση της λειτουργίας του επενεργητή. / The present PhD thesis has a key object the analysis and control of fluid dynamics systems taking advantage of the smart material properties like piezocrystals for the design of actuators. In Part I, the performance of a prototype piezohydraulic pump is estimated using the Finite Element Method. The specific setup consists of a piston and two passive valves with an operating frequency greater than 100Hz. The developed Finite Element Model takes into account fluid's compressibility, the limited pressure wave propagation, turbulent flow and Fluid Structure Interaction of the valves with the fluid. Simulation results were used to calculate the pump's performance and a parametric optimization of valve's key parameters is performed. Much higher operating frequencies (500Hz) with improved performance is achieved. In the sequel, studies on a ideal active valve system are undertaken and control techniques of valve timing are developed. Simulations revealed the potential benefit from an active valve system and also revealed the importance of accounting wave propagation phenomena, especially during resonance. In Part II, a novel fluid actuator based on the exploitation of fluid resonance is proposed. This approach allows the integration of the pump within the actuator, whereas only one high frequency valve is needed, in contrast with existing systems where two high frequency valves are needed (inlet, outlet). The novel actuator is modeled using a direct discretization of the compressible Navier Stokes equations and a state space model is derived. Along with the piezoelectric and valve flow model a complete model of the actuator is formulated. The key components of the model are verified with experimental data from a prototype actuator. Also, the concept of the new actuator is proved by experimental measurements. At the last section of the thesis key aspects of the systems for further improvement of the actuator are proposed.

Οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μικρής και μεγάλης ισχύος. Στην πλειονότητά τους οι μετατροπείς αυτοί περιλαμβάνουν μαγνητικά στοιχεία (μετασχηματιστές – πηνία), οι απώλειες ισχύος των οποίων καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της εκάστοτε διάταξης. Είναι λοιπόν μεγάλης σημασίας η ανάπτυξη θεωρητικών μοντέλων, αλλά και πειραματικών μεθόδων, για τον ακριβή προσδιορισμό των απωλειών των μαγνητικών στοιχείων, ώστε να είναι εφικτός ο βέλτιστος σχεδιασμός τους, με τελικό πάντα στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Οι στόχοι της διατριβής κινούνται σε δύο βασικούς άξονες: α) Να γίνει διερεύνηση των φαινομένων που επηρεάζουν τις απώλειες χαλκού σε τυλίγματα που αποτελούνται από στρώσεις αγωγών, αλλά και να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής με τυχαία κατανομή αυτών στο διαθέσιμο χώρο. β) Να γίνει ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας λήψης πειραματικών μετρήσεων σε μαγνητικά στοιχεία μέσα από τη διερεύνηση των διαφόρων παραγόντων πειραματικών σφαλμάτων και τη σχεδίαση μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για τη διέγερση μαγνητικών στοιχείων με ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας. Στο πρώτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 1, Κεφ. 2 και Κεφ. 3) γίνεται μια γενική περιγραφή των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα μαγνητικά στοιχεία όταν αυτά διαρρέονται από ρεύμα περιοδικά μεταβαλλόμενο στο χρόνο, τα φαινόμενα δηλαδή της μαγνητικής υστέρησης και της ανάπτυξης δινορρευμάτων στο μαγνητικό υλικό του πυρήνα και τα φαινόμενα επιδερμικό και γειτνίασης, που οφείλονται στην ανάπτυξη δινορρευμάτων στα τυλίγματα. Επίσης, γίνεται παράθεση και αξιολόγηση των σπουδαιότερων ως τώρα θεωρητικών εργασιών που πραγματεύονται τα παραπάνω φαινόμενα και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απωλειών που σχετίζονται με αυτά. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, (κεφάλαια Κεφ. 4 και Κεφ. 5) πρώτα γίνεται η παράθεση των τριών κλασικών μοντέλων για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα που απαρτίζονται από στρώσεις και με τη βοήθεια λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων διερευνάται η ακρίβεια και το πεδίο εφαρμογής καθενός εξ’ αυτών. Προκύπτει πως το μοντέλο του Dowell δίνει σαφώς πιο ακριβή αποτελέσματα και πως οι αποκλίσεις των μοντέλων από τα πραγματικά (σύμφωνα με τις προσομοιώσεις) αποτελέσματα οφείλεται στην αδυναμίας τους να λάβουν σωστά υπόψη τη δισδιάστατη ανάπτυξη του μαγνητικού πεδίου και τις πυκνότητας ρεύματος όταν αυξάνεται η συχνότητα ή όταν μειώνεται ο παράγοντας πλήρωσης χαλκού. Διερευνάται το φαινόμενο παρυφής σε τυλίγματα στρώσεων που αποτελούνται είτε από αγωγούς κυκλικής διατομής είτε από φύλλα χαλκού και περιγράφεται ποσοτικά και ποιοτικά η επίδρασή του στην τιμή της ενεργού αντίστασης, η οποία προκύπτει πως εμφανίζεται αυξημένη μόνο σε συχνότητες περί τη βασική αρμονική του ρεύματος. Μελετάται επίσης η γεωμετρική ανάπτυξη του φαινομένου στο χώρο του τυλίγματος και διαπιστώνεται η γενικά επιφανειακή του επίδραση που ελαχιστοποιεί την πιθανή εμφάνιση τοπικής υπερθέρμανσης. Ακόμη, για τυλίγματα στρώσεων με αγωγούς κυκλικής διατομής, αναλύεται η διαφοροποίηση στην τιμή της ενεργού αντίστασης μεταξύ των περιπτώσεων της τετραγωνικής και της εξαγωνικής διάταξης των αγωγών και αναδεικνύεται η μείωσή της στη δεύτερη περίπτωση. Ακολούθως αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο για τον υπολογισμό των απωλειών χαλκού σε τυλίγματα αγωγών κυκλικής διατομής που έχουν τοποθετηθεί στο παράθυρο του μαγνητικού στοιχείου με τυχαίο τρόπο, πράγμα το οποίο αποτελεί μια κοινότυπη σχεδιαστική πρακτική. Για τη διατύπωση της νέας έκφρασης χρησιμοποιούνται τα αριθμητικά αποτελέσματα πληθώρας προσομοιώσεων που έγιναν με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και αναζητείται η κατάλληλη εξίσωση περιγραφής τους. Η αναζήτηση αυτή στηρίζονται σε μεθόδους ελαχιστοποίησης του σφάλματος, που εδώ εφαρμόζονται με τη βοήθεια κατάλληλων λογισμικών. Η εξίσωση που τελικά προκύπτει είναι απλή και περιέχει μόνο τρεις εύκολα προσδιορίσιμες παραμέτρους σχετιζόμενες άμεσα με γνωστές κατασκευαστικές παραμέτρους. Δείχνεται πως η νέα έκφραση μπορεί να εφαρμοστεί και στην περίπτωση πολύκλωνου αγωγού και διερευνάται ως προς την ευαισθησία της σε σφάλματα μέτρησης κατά τον προσδιορισμό του πάχους του τυλίγματος, ενώ επίσης προτείνεται μια απλούστερη προσεγγιστική έκφραση για τις χαμηλές συχνότητες. Τέλος, η ισχύς της νέας έκφρασης επαληθεύεται με τη βοήθεια πειραματικών μετρήσεων. Η πρώτη εργασία που παρουσιάζεται στο τρίτο μέρος της διατριβής (κεφάλαια Κεφ. 6 και Κεφ. 7) είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός μετατροπέα συντονισμού κατάλληλου για την τροφοδότηση μαγνητικών στοιχείων με καθαρά ημιτονοειδή τάση υψηλής συχνότητας (ως και 1MHz) και πλάτους αρκετών εκατοντάδων Volt, σε επίπεδα ισχύος αρκετών δεκάδων Watt, για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε αυτά. Η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη λειτουργία του μετατροπέα αναδεικνύει την αλληλένδετη σημασία των σχεδιαστικών επιλογών τόσο στο κύκλωμα ισχύος όσο και στο ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου και οδηγεί στην κατάλληλη διαστασιολόγηση των στοιχείων που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα δύο κυκλώματα έτσι ώστε να γίνει εφικτή η διεύρυνση του φάσματος συχνοτήτων λειτουργίας του μετατροπέα, η ελαχιστοποίηση του αρμονικού περιεχομένου και η μεγιστοποίηση του πλάτους της τάσης εξόδου. Στη συνέχεια περιγράφονται μέθοδοι μετρήσεων των απωλειών μαγνητικών στοιχείων και λήψης του βρόχου υστέρησης του μαγνητικού υλικού των πυρήνων τους. Αναλύονται οι διάφοροι παράγοντες σφάλματος και γίνονται μετρήσεις τόσο για τον προσδιορισμό των ειδικών απωλειών φερρίτη όσο και για τη λήψη του βρόχου υστέρησης φερριτών σε διάφορες συχνότητες. Προτείνονται μεθοδολογίες διόρθωσης του αποτελέσματος για τις απώλειες υστέρησης, όπως αυτές προκύπτουν από το εμβαδόν του μετρούμενου βρόχου υστέρησης, όταν υπάρχει γνωστό σφάλμα φάσης κατά τη λήψη της κυματομορφών της μαγνητικής έντασης και της μαγνητικής επαγωγής. Τέλος, εξηγείται η μείωση στις υψηλές συχνότητες της ενεργού αντίστασης των τυλιγμάτων όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και δίνονται κάποια ενδεικτικά γραφικά παραδείγματα για τη σχετική διόρθωση για τυπικές αυξήσεις της θερμοκρασίας σε μαγνητικά στοιχεία. / Power electronics converters are used in a wide range of both low and high power applications. Most of these converters include magnetic components (transformers – inductors), the power losses of which determine in a major degree their efficiency. It is therefore very important to the power electronics converter designers to have available the proper theoretical models and experimental methods for the accurate determination of the magnetic component losses in order to make optimum design choices and achieve an effective energy saving. The present work has a twofold goal: a) To investigate the phenomena affecting the copper losses in windings that consist of conductor layers and to develop a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with random distribution of these conductors in the available core window area. b) To develop a complete methodology of making experimental measurements on magnetics components, through the investigation of the several measurement error factors and to design a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with high frequency sinusoidal voltage. In the first part of this thesis (chapters Ch. 1, Ch. 2 and Ch. 3) there is a general description of the physical phenomena that take place in magnetic components when a periodically time variable current flows through them, i.e. magnetic hysteresis and eddy currents at the magnetic core material and skin as well as proximity effect at the windings, which are due to the development of eddy currents in them. Moreover, there is an overview citation and critical review of the most important by now theoretical works on these issues which are also widely used for the calculation of the losses related to them. In the second part of this thesis (chapters Ch. 4 and Ch.5) there is at first a short review of the three classic models for the calculation of copper losses in windings made of layers and then a finite element software is utilized for the investigation of the accuracy and field of application of each of them. It is shown that Dowell’s model is much more accurate and that the declination of the models from the real (according to simulations) results are due to their inherent inability to properly take into account the two-dimensional distribution of the magnetic field and the current density when the frequency increases or when the filling factor value decreases. The edge effect in layered windings with either round cross section or foil conductors is investigated and a qualitative as well as quantitative description of its effect on the effective resistance is given, showing that there can be an increase in it only at frequencies close to the fundamental frequency of the current waveform. There is also a study about the geometrical extent of the edge effect in the winding volume and it is concluded that the winding is generally affected only on its outer parts, a fact that minimizes the possibility for a hot spot to appear. Moreover, for layered windings with round cross section conductors, a study is carried out about the difference in the effective resistance between the cases of square and hexagonal fit schemes and it is shown that in the second case there can be an appreciable power loss reduction. Following this work, is the development of a new model for the calculation of copper losses in round cross section conductor windings with the several turns placed with a random manner in the available core window area, which is a common design choice. For the extraction of the new expression a computer aided curve fitting process has been applied on a large amount of numerical data coming from finite element simulations. The final equation of the model is simple and incorporates only three easily determinable parameters, directly related to known constructive parameters. It is shown that the new expression can also be applied in the case of stranded wire windings. Its sensitivity to the winding height measurement errors is investigated and a low frequency approximation is proposed. At last, the new expression is validated with experimental measurements. The first work presented in the third part of this thesis (chapters Ch. 6 and Ch. 7) is the design and construction of a resonant converter suitable for the excitation of magnetic components with a clearly sinusoidal voltage of high frequency (up to 1MHz) and amplitude of several hundreds volts, at several tenths of Watts power level, for the implementation of experimental measurements. The theoretical and experimental investigation of the factors affecting the converter performance reveals the interrelated importance of the design choices in the resonant tank and the electronic control board and leads to the proper component selection in both these circuits so as to expand the operating frequency range, minimize the harmonic distortion and maximize the amplitude of the output voltage. Following that, there is a description of the methods available to measure the power losses of magnetic components and acquire the hysteresis loop of their magnetic cores. The several error factors are analyzed and measurements are taken in order to determine the power losses and monitor the hysteresis loop of ferrite materials at several frequencies. Some methods are proposed for the correction of the measured hysteresis losses, if these are determined from area of the hysteresis loop, in the case of a known phase error when recording magnetic intensity or magnetic induction. At last, the reduction with temperature of ohmic resistance at high frequencies is explained and some indicative graphical examples are given for the correction in its calculated value for some typical magnetic component temperature rise values.