La tesis propone un nuevo conformador de haz para la recepción de señales con modulación de saltos frecuenciales "frequency hopping" (FH) basado en el conocimiento de la secuencia de frecuencias utilizada en la modulación denominándose por ello conformador de haz de referencia por código "code reference beamformer" (CRB). Este conformador se divide en dos etapas, cada una de ellas implementa uno de los factores del vector de enfoque óptimo; es decir, la primera etapa es igual a la inversa de la matriz de covarianza de ruido más interferencias y la segunda es igual al vector de dirección de la señal deseada. La obtención de estas etapas es posible gracias a la predicción del escenario que se tendrá durante el salto siguiente, la cual puede realizarse simultáneamente a la recepción gracias al conocimiento de la secuencia frecuencial. El sistema receptor se compone de dos procesadores: el procesador anticipado que se dedica a la estimación de la matriz de covarianza de ruido más interferencias presentes en la banda frecuencial del siguiente salto y el procesador directo que es el encargado de la conformación de haz. Finalmente se propone la extensión de crb a un conformador de haz autocalibrado de aplicación general que no requiere referencia alguna, ni temporal ni espacial.

Actualmente, en el área de los biomateriales destinados a la fijación y regeneración ósea, existe un interés creciente en el desarrollo de materiales que sean reabsorbibles y a su vez, capaces de estimular la regeneración del hueso. En el caso de los materiales para fijación ósea, la idea es crear un material que sea capaz de soportar las cargas iniciales y luego se degrade de forma gradual y transfiera las cargas de forma progresiva al nuevo hueso, evitando así una segunda intervención quirúrgica para la extracción del implante. En el caso de los materiales para regeneración ósea, el objetivo final es diseñar materiales que sean reemplazados de forma paulatina por el nuevo tejido.Esta tesis reúne una serie de estudios, realizados con el fin de desarrollar diferentes materiales biodegradables basados en el polímero PLA y el vidrio G5, que es un vidrio de fosfato de calcio dentro del sistema P2O5-CaO-Na2O-TiO2. Se han elaborado materiales compuestos biodegradables no porosos y porosos (andamios tridimensionales), para la fijación y regeneración del tejido óseo respectivamente. Así como también, se han desarrollado estructuras porosas de vitrocerámica, también para aplicaciones en ingeniería de tejidos. Cada uno de los materiales desarrollados ha sido caracterizado inicialmente en función de sus propiedades físico-químicas. Dado que son materiales para implantación y biodegradables, también se ha evaluado tanto la respuesta biológica, como el comportamiento de los mismos a lo largo de diferentes períodos de degradación in vitro, es decir, simulando condiciones fisiológicas. Los resultados obtenidos a partir de los diferentes estudios, indican que se han desarrollado una variedad de materiales biodegradables, con un amplio rango de aplicaciones y un gran potencial en el campo de la regeneración ósea principalmente. Por lo que, los estudios realizados a lo largo de esta tesis doctoral, forman parte de lo que sería un primer acercamiento al desarrollo de nuevos materiales biodegradables, y constituyen el punto de partida para la investigación de nuevos materiales porosos para aplicaciones en ingeniería de tejidos. / Nowadays, research on materials for bone fixation and regeneration has focused increasingly on the development of materials that are reabsorbable and at the same time, capable of stimulating bone tissue regeneration. In the case of materials for bone fixation, the objective is the creation of a material that supports the initial loads and then undergoes a gradual degradation, transferring the loads progressively to the new bone tissue. Avoiding in this way, second surgical procedures for the retrievement of the implant. In the case of the materials for bone regeneration, the objective is to design a material that stimulates bone formation and is gradually replaced by the bone tissue.This thesis put together several studies that have been performed for the development of different biodegradable materials based on PLA and a calcium phosphate glass, coded G5, which is in the system P2O5-CaO-Na2O-TiO2. Non-porous and porous (3D scaffolds) materials for bone fixation and bone tissue regeneration respectively, have been elaborated, as well as porous glass-ceramic structures for bone tissue engineering. Each one of the developed materials has been characterized in terms of its physico-chemical properties, its behaviour along in vitro degradation and its biological response.The results obtained through the different studies, suggest that the variety of biodegradable materials that have been developed, present a wide range of applications and regenerative potential. Thus, the studies performed along this PhD thesis, are the first approach to the development of new biodegradable materials, and represent the starting point for their optimisation and development of new porous structures for tissue engineering applications.

A prerequisite for safe and stable operation of an electric power system is the accurate and reliable measurement of the system parameters, in particular, current and voltage. Conventionally, this has been achieved on High Voltage (H.V.) systems by expensive, bulky iron-core transformers and also by capacitor transformers. Both of them are increasingly coming under review (chapter 1) in modern power system due to their cost, safety implications for personnel and surrounding plant if failure occurs, installation time and indeed substation land requirements. Research effort into viable alternatives to instrument transformers has been ongoing for many years to reduce the cost and improve the safety and accuracy of this devices. In the last years, this research has accelerated due to the new requirements of the modern metering and protection systems based on electronic and microprocessor devices. This trend in the modern systems has allowed the development of novel transducers where the accuracy, the reliability and the safety has been significantly improved. The main alternative incorporate optic fibre viewed as the most realistic method of providing cheap and safe isolation between the chosen sensor at phase potential and earth. The sensor itself is, in the case of current measurement, based on the Faraday effect while in the case of the voltage measurement is generally a Pockels or Kerr effect device measuring a fraction of the actual phase voltage by employing a capacitive voltage divider.In parallel to the development of the optical alternative other different transducers have been studied based on the properties offer for new materials and technologies developed in the last years. A clear example of new emergent technologies is found in the piezoelectricity (chapter 2).In just over 100 years piezoelectricity has moved from a laboratory curiosity to big business. During this period, several technologies have been developed to utilise the piezoelectric effect.In turn, each of these technologies has become an essential component in many kinds of electronic products. The U.S. piezoelectric industry, good mirror for analyse the internationaltechnologic development, has gone through several boom and bust cycles. However, new applications are emerging for piezoelectricity because of the developments in piezoelectric ceramics and polymers. Even though piezoelectric quartz crystal still holds the largest marketsegment, several new piezoelectric ceramic and piezoelectric polymer materials are being developed that represent good, attractive market segments in terms of growth, competition, and investment.This thesis proposes an alternative for the measurement in High Voltage environments by using the piezoelectric technology. The thesis was initially concentrated in the alternative of the voltage measurement, but the successfully results in this field have open the way to propose alternatives for measuring current.Accordingly, the present thesis develops a novel instrument transformer based on the mechanical forces developed for the piezoelectric materials under the influence of an electric field. The transformer consists of an actuator piezoelectric column and a sensor piezoelectric column. The actuator column is connected to the a.c. High Voltage to be measured. This electrical voltage produces the generation of mechanical forces within the material. The forces can be measured by means of the piezoelectric sensor and convert it back into a low electrical signal which can drive an electronic protection or measuring system. The novel piezoelectric transformer herein treated is of wide application in electrical networks for measuring, providing both advantageous accuracy and large transformation ratio. Furthermore, It is expected to reduce the volume, weight and manufacturing cost of the traditional electromagnetic transformers.

Solvent recovery is gaining importance in the chemical production processes to reduce the costs and because of environmental concerns. Therefore separation schemes for recovery and recycle of solvents used in printing and packaging industry were developed. However, a low value by-product, mainly ethyl alcohol and isopropanol, is obtained during the solvent recovery process. If the water concentration of this mixture is decreased below 0.1% by weight, the value of it increases significantly. To dehydrate this stream, a pervaporation-adsorption separation scheme is developed in this study. The effect of pervaporation process parameters, such as temperature, feed flow rate, permeate side pressure, feed water and ethyl acetate concentration, on the performance of the PERVAP 2211 and 2201 membranes of Sulzer Chem-tech&reg / using the real industrial by-product solution obtained from a local company are investigated. Pervaporation tests were conducted using a home made experimental setup equipped with 148 cm2 rectangular shaped membrane module. Permeates obtained from these experiments were analyzed using a gas chromatograph equipped with FID and the water concentration of the feed solutions were analyzed using Karl-Fisher titration. Besides, adsorption studies were conducted using zeolite 3A in a fixed bed column. As a result of this study, PERVAP 2201 membranes showed higher fluxes with a slightly lower permeate water concentration compared to PERVAP 2211 at the at ranges studied. The increase in the pervaporation performance was observed with an increase in the temperature, permeate side vacuum and feed flow rate over the membrane. Therefore, concentrated-mode experiments were conducted at 70&deg / C, 2 torr permeate side pressure and 1.6 L/min of feed flow rate using the findings of the parametric studies and the retentate of this experiments were further dehydrated using liquid phase adsorption. Finally, the water concentration of the solution was decreased to 0.04% by weight.

Quan analitzem el funcionament de les màquines elèctriques dubtem en l'elecció d'un o altre conjunt de variables, models o joc de paràmetres. En el treball que segueix hem trobat, molt sovint, resultats que es contradiuen amb les mesures experimentals, o temps de càlcul molt diferents segons el model escollit o el tipus de simulació realitzada.La necessitat d'una bona modelització es planteja com un requisit previ per a obtenir un bon control i un adequat dimensionat dels accionaments; amb aquest fi es planteja el treball amb el contingut i ordre que segueix.En primer lloc (Capítol 1) es fa un repàs de l'estat de l'art. Segueix l'estudi (Capítol 2) de models de màquines asíncrones amb caracterització de la saturació; podem plantejar diversos conjunts de variables que ho fan possible amb més o menys dificultat de càlcul i resolució. La línia escollida planteja un model transformat que redueix al mínim el nombre de paràmetres a estimar; en altres dels casos plantejats es redueix la càrrega de càlcul per a la seva resolució. Tanmateix es planteja l'anàlisi de sensibilitat de la resposta (Capítol 3) respecte les variacions dels paràmetres; òbviament hi haurà paràmetres que tindran poca o nul.la influència en la resposta del sistema, així com d'altres que tindran influència directa i immediata en la mateixa.Una vegada escollit el model o models a emprar s'han de trobar els paràmetres dels mateixos. Una primera aproximació es dedica a la determinació dels paràmetres mitjançant assajos fora de línia (Capítol 4). La determinació dels paràmetres mitjançant assajos en línia i tècniques d'estimació en temps real (Capítol 5), juntament amb la consideració d'observadors per a variables auxiliars, per exemple el flux, permeten tancar el tema d'estimació dels paràmetres. La determinació dels parells electromagnètics i de càrrega (Capítol 6), és l'objectiu final del treball. L'aplicació d'observadors i estimadors permet l'obtenció de les variables desitjades resultant un model més precís i exacte.A modus d'aplicació final s'ha construït un mesurador de parell en règim transitori; aspecte residual del treball que resulta força important ja que no disposem, actualment, d'un mesurador d'aquestes característiques. L'equip desenvolupat és format a partir d'una màquina de corrent continua i un sistema de control.Tanmateix es tracta la modelització del conjunt convertidor-màquina-càrrega (Capítol 7). No pretenem analitzar a fons la modelització del convertidor, això podria constituir un treball més específic; malgrat això la influència que presenta el tipus de senyal aplicat a la màquina aconsella la seva consideració a fi i efecte d'obtenir resultats més acurats que els que permeten la suposició d'una alimentació sinusoïdal.Un capítol final de discussions (Capítol 8) sobre els resultats obtinguts, als que segueixen aquelles aplicacions que s'entenen millorades, així com un recull de concussions tanca el cos central del treball.Es tanca el document amb una relació bibliogràfica rellevant (Bibliografia) i un apartat d'annexes on es troben desenvolupaments matemàtics: equacions de sensibilitat (Annex I), càlcul dels guanys de l'observador (Annex II), els assajos realitzats i les característiques de les màquines assajades (Annex III) i el mètode dels mínims quadrats. Aplicacions (Annex IV). / Al analizar el funcionamiento de las máquinas eléctricas dudamos acerca de la elección de, uno u otro, conjunto de variables, modelos, o conjunto de parámetros. En este trabajo se han encontrado, frecuentemente, resultados que contradicen lo medido experimentalmente, o tiempos de cálculo muy diversos según el modelo adoptado o el tipo de simulación realizada; cosa por otra parte lógica en un ámbito que admite aportaciones de mejora.La necesidad de una buena modelización actualmente se plantea como una premisa para obtener un mejor control y un adecuado dimensionado de los accionamientos; con este fin se aborda este trabajo determinando la secuenciación que sigue.En primer lugar (Capítulo 1) se repasan los antecedentes y estado actual. Seguidamente se ha planteado (Capítulo 2) el estudio de modelos de máquinas asíncronas con caracterización de la saturación; existen diversos modelos que lo posibilitan a costa de una mayor o menor dificultad de cálculo y resolución. La línea escogida toma un modelo transformado que reduce el número de parámetros a encontrar o estimar; en algunos de los modelos planteados se reduce la carga de cálculo necesaria para su resolución. Asimismo se plantea el análisis de sensibilidad de la respuesta (Capítulo 3) respecto a las variaciones de los parámetros; es evidente que habrá parámetros que tendrán escasa influencia en la respuesta del sistema, así como otros que influirán de forma directa e inmediata en la misma.Una vez establecido el modelo, o modelos a utilizar, deben encontrarse los parámetros de los mismos. Una primera parte se dedica a la determinación de parámetros mediante ensayos fuera de línea (Capítulo 4), lo que permite aproximarnos a la solución deseada. La determinación de parámetros mediante ensayos en línea y técnicas de estimación en tiempo real (Capítulo 5), junto con la consideración, en su caso, de observadores para variables auxiliares como el flujo, permiten cerrar el capítulo de estimación de parámetros.La determinación de variables auxiliares como los pares electromagnético y de carga (Capítulo 6), es el objetivo final del trabajo. La aplicación de observadores y estimadores permite la obtención de las variables deseadas, resultando un modelo mas preciso y exacto.A modo de aplicación se ha obtenido un medidor de par en régimen transitorio; aspecto colateral del trabajo que resulta relevante dado que no se dispone, actualmente, de un medidor de par con estas características. El equipo desarrollado se basa en un conjunto que comprende máquina de corriente continua y sistema de control.Finalmente se aborda la modelización conjunta del sistema convertidor-máquina-carga (Capítulo 7). No se pretende analizar a fondo la modelización del convertidor, ello podría ser objeto de un estudio más específico; no obstante la influencia que tiene el tipo de señal aplicada a la máquina, aconseja su consideración con el fin de obtener resultados más reales que una suposición de alimentación sinusoidal permitirían.Se finaliza con un capítulo final de discusiones (Capítulo 8) de los resultados obtenidos, a los que siguen aquellas aplicaciones que se entienden como mejoradas por este trabajo, así como las pertinentes conclusiones.Cierra el documento una relación bibliográfica (Bibliografía) relevante y un apartado de anexos donde se añaden deducciones matemáticas prolíficas tales como las de las ecuaciones de sensibilidad (Anexo I), el cálculo de las ganancias del observador (Anexo II) las características de las máquinas ensayadas (Anexo III) y .el método de los mínimos cuadrados. Aplicaciones (Anexo IV). / When analyzing the operation of the electric machines we doubt about the election of, one or other, group of variables, models, or group of parameters. In this work they have been, frequently, results that they contradict that measured experimentally, or very diverse times of calculation according to the adopted model or the type of carried out simulation; it sews logic on the other hand in an environment that admits contributions of improvement.The necessity of a good modelización at the moment thinks about like a premise to obtain a better control and an appropriate dimensionado of the drives; with this end this work is approached determining the sequence that continues.In the first place (Chapter 1) the antecedents and current state are reviewed. Subsequently he has thought about (Chapter 2) the study of models of asynchronous machines with characterization of the saturation; diverse models that facilitate it to coast of a bigger or smaller calculation difficulty and resolution exist. The line chosen taking a transformed model that it reduces the number of parameters to find or to estimate; in some of the outlined models he decreases the necessary calculation load for their resolution. Also he thinks about the analysis of sensibility of the answer (Chapter 3) regarding the variations of the parameters; it is evident that there will be parameters that will have scarce influence in the answer of the system, as well as others that will influence in a direct and immediate way in the same one.Once established the pattern, or models to use, they should be the parameters of the same ones. A first one leaves he dedicates to the determination of parameters by means of test outside of line (Chapter 4), what allows to approach to the wanted solution. The determination of parameters by means of on-line and real time test (Chapter 5), together with the consideration, in their case, of observers for auxiliary variables as the flux, they allow to close the chapter of estimate of parameters.The determination of auxiliary variables as the electromagnetic and load torque (Chapter 6), it is the final objective of the work. The application of observers and observers allow the obtaining of the wanted variables, being a model but I specify and exact.By way of application a meter has been obtained of even in transitory régime; colateral aspect of the work that is outstanding since he doesn't prepare, at the moment, of a meter of even with these characteristics. The developed team is based on a group that he understands machine of D.C. current and control system.Finally the combined modelización of the system converter-machine-load is approached (Chapter 7). It is not thoroughly sought to analyze the modelización of the converter, it could be it object of a more specific study; nevertheless the influence that has the sign type applied to the machine, advises its consideration with the purpose of obtaining realler results that a supposition of feeding sinusoidal would allow.You concludes with a final chapter of discussions (Chapter 8) of the obtained results, to those that follow those applications that understand each other as improved by this work, as well as the pertinent conclusions.He closes the document a bibliographical relationship (Bibliography) outstanding and a section of annexes where such fruitful mathematical deductions are added as those of the equations of sensibility (Annex I), the calculation of the observer's gains (Annex II) the characteristics of the tested machines (Annex III) and the method of the recursive least-squared method and applications (Annex IV).

Els materials nanocristal·lins han esdevingut darrerament un dels camps de recerca més actius en l'àrea de la Ciència de Materials. Aquest tipus de materials, caracteritzats per la presència d'estructures organitzades de tamanys característics entre el nm i el mm, han mostrat en determinats casos noves propietats, a vegades sorprenents, diferents dels materials tradicionals de composicions similars. Una característica comuna d'aquests materials és que les propietats que poden resultar d'interès són dependents, de vegades críticament, de la grandària de les nanostructures. El present treball es centra en aquesta temàtica, dins d'un subgrup de materials nanoestructurats molt concret com són els obtinguts mitjançant transformacions sòlid-sòlid activades tèrmicament. Un exemple d'aquests materials són els vidres metàl·lics nanocristal·litzats mitjançant un tractament tèrmic. Aquestes transformacions segueixen majoritàriament cinètiques de nucleació i creixement, el comportament cinètic de les quals és raonablement ben conegut des de la dècada de 1940 (models de Kolmogorov, Johnson & Mehl i Avrami, KJMA). L'objectiu fonamental del treball és generalitzar el model d'evolució microestructural PKJMA, desenvolupat anteriorment pel grup de recerca al que pertany l'autor, i oferir un esquema robust d'àmplia aplicabilitat. Aquest objectiu s'ha assolit, donant lloc a un sistema d'equacions contínues d'evolució per la distribució de grandària de gra, aplicable als materials nanocristal·lins obtinguts en condicions de laboratori. La validesa d'aquestes equacions s'ha comprovat amb la comparació amb simulacions cinètiques de creixement en condicions controlades. Una segona part del treball es centre en l'estudi dels efectes d'una nucleació no aleatòria en aquestes transformacions. El fet que aquest fenòmen sol considerar-se present a la cristal·lització primària de vidres metàl·lics va augmentar l'interès sobre el tema, i conduí, primer, a simular cinèticament aquest fenòmen i, després, a buscar un model adequat per descriure les desviacions observades respecte la cinètica KJMA. La construcció d'aquest model és el pas previ per l'extensió del model d'evolució microestructural a aquests sistemes.

En esta tesis se han desarrollado microestructuras mediante tratamientos térmicos de 2,5Y-TZP, las cuales con la adición de tensiones residuales de mecanizado, experimentan un aumento de la resistencia y la tenacidad de fractura. La microestructura con mejores propiedades se obtuvo para la temperatura de 1650 C con un tiempo de permanencia de 40 minutos (40M), y está compuesta por granos tetragonales y granos compuestos por precipitados tetragonales y matriz de fase cúbica. El crecimiento del grano tetragonal produce el aumento de la transformabilidad y un consecuente incremento de la tenacidad. La resistencia a la fractura aumenta, pero si el grano tetragonal es mayor de 1 m disminuye ligeramente debido a que los defectos que originan la fractura aumentan más que la tenacidad.Los procesos de mecanizado estudiados inducen tensiones residuales de compresión en la superficie, lo que ocasiona el aumento de la resistencia y la tenacidad de fractura. La transformación de fase de tetragonal a monoclínico sólo se produce durante el rectificado del material tratado durante 10 horas (mayor transformabilidad). El proceso de desbaste plano no ocasiona la transformación de la fase tetragonal en los materiales analizados, sin embargo produce la transformación de fase de monoclínico a tetragonal.Las tensiones residuales de mecanizado aumentan la resistencia al daño por contacto, porque disminuye el daño cuasiplástico subsuperficial, y no se forma daño alrededor de la zona de contacto en las muestras ensayadas a fatiga de contacto.Las tensiones residuales aumentan la resistencia al choque térmico. Los resultados demuestran que no se produce agrietamiento, ni transformación de fase bajo estas condiciones de ensayo. Las tensiones residuales no disminuyen durante el choque térmico, y se oponen a la propagación de la fisuras de indentación, manteniéndose además las propiedades mecánicas.

Aquesta tesi proporciona un marc per l'anàlisi dels experiments d'indentació. En primer lloc, s'estén el concepte dels règims de deformació al contacte a materials metàl·lics que presenten efectes d'enduriment per deformació. El principal resultat d'aquests estudis es el desenvolupament d'un mapa de modes de deformació en indentació que permet predir el règim de deformació actiu per donada una combinació de propietats mecàniques del material indentat. El mapa està construït a base de simulacions per elements finits en un gran nombre de sòlids, fonamentant-nos en les característiques del flux plàstic i la forma de la zona plàstica que presenten diferents metalls deformats segons un mode elasto-plàstic o un de completament plàstic. S'han obtingut dues correlacions generals entre els valors de duresa i la magnitud d'apilament o enfonsament que s'ha desenvolupat al voltant de l'empremta d'indentació, i les propietats mecàniques uniaxials. Aquestes correlacions són el centre d'una nova metodologia per extreure les propietats mecàniques a partir de mesures directes de la topografia de l'empremta i la corba de càrrega (P) - profunditat de penetració (hs) d'un assaig d'indentació instrumentada. A la part final de la tesi es presenta un marc general per a l'anàlisi de la influencia de la fricció que existeix entre material i indentador. Aquest coneixement ens permetrà estendre la metodologia a contactes amb fricció. Finalment, s'analitza detalladament l'analogia entre els experiments d'indentació i el problema de l'expansió d'una cavitat esfèrica. Primer es solucionen les equacions del problema de l'inflat d'una cavitat esfèrica en un sòlid que presenta enduriment per deformació. Les simulacions per elements finits permeten elaborar una analogia entre els paràmetres que regeixen el contacte i els de l'expansió de la cavitat esfèrica. Un dels resultats més immediats és el desenvolupament d'una nova formulació que permet avaluar la mida de la zona plàstica en experiments d'indentació punxeguda en materials metàl·lics. / This thesis provides a sound physical rationale to the analysis of indentation experiments. First, it extends the concept of the contact deformation regimes to metallic materials exhibiting strain hardening effects. The main outcome along these lines is the development of a contact deformation map, which predicts the active contact regime for a given combination of mechanical properties of the indented material. The map is based upon extensive finite element simulations elucidating the fundamental features of the plastic flow patterns and plastic zone shape in metals deforming within the elasto-plastic and the fully plastic contact regimes. General relations are then found between hardness and the amount of material pileup and sinking-in developing at the contact boundary with uniaxial mechanical properties. These relations are central in devising a novel methodology for mechanical property extraction based on direct assessments of the imprint's topography and instrumented indentation applied load (P) penetration depth (hs) curves. The final part of the thesis presents a general framework to the analysis of frictional effects between indenter and material. This knowledge allows one to extend the aforementioned methodology in dealing with frictional contacts. Finally, a detailed analysis is made on the analogy between indentation experiments and the problem of the expansion of a spherical cavity. Closed-form solutions for the expansion of the cavity in strain hardening solids are first derived. The finite element simulations provide a strict parametrical analogy between contact variables and those from expanding cavity formulations. The main outcome of this analysis is the development of new formulations which evaluate the plastic zone size in sharp indentation experiments of strain hardening metallic materials.

L'estudi de la formació de microstructures en processos de solidificació té importants aplicacions científiques i tecnològiques. L'aparició d'aquestes estructures determina les propietats elèctriques i mecàniques del material solidificat, i té per tant un important interès tecnològic. La majoria d'aquestes estructures tenen el seu origen en una desestabilització morfològica de la interfase sòlid-líquid que es produeix a mesura que el front avança. Per aquest motiu, l'estudi del comportament dinàmic de la interfase resulta essencial per entendre els mecanismes que intervenen en la creació d'aquests patrons. Els processos de solidificació solen descriure's mitjançant problemes de contorn mòbil. Aquestes formulacions consten d'equacions per a la difusió del calor i de massa en les fases sòlida i líquida, que s'han de resoldre imposant l'acompliment de diverses condicions de contorn mòbils a la interfase. Els problemes de contorn mòbil, malgrat contenir tots els elements que intervenen en la dinàmica i ser de molta utilitat en l'àmbit de l'enginyeria, requereixen un cost computacional que no permet simular sistemes reals en règims interfacials complexos. Els mètodes de camp de fase (phase-field methods), van aparèixer a principis dels anys vuitanta com una eina computacional que permetia l'estudi de fenòmens interfacials de caire general. Aquests mètodes descriuen la forma de la interfase mitjançant un camp continu que pren valors diferents i constants en les dues fases. La dinàmica d'aquest camp és llavors acoblada al camp de difusió de calor o massa que determina l'avanç del front de solidificació. Un dels avantatges d'aquests mètodes és que la seva simulació no requereix d'algorismes de seguiment de la interfase (front tracking algorithsms). És ben conegut que les característiques principals de les microestructures en solidificació, es determinen durant els transitoris inicials en els que els corrents de massa i calor s'adapten a la evolució dinàmica del front. Un dels objectius en aquesta tesi és el de fer servir mètodes de camp de fase per descriure de forma quantitativa aquests transitoris. Per comprovar la validesa del nostre procediment, es realitza una comparació quantitativa entre els resultats numèrics obtinguts i diferents prediccions analítiques derivades del problema de contorn mòbil. Per un altra banda, la desestabilització del front es veu afectada per la presència de fluctuacions al sistema. Aquestes pertorbacions microscòpiques poden tenir el seu origen a les fluctuacions termodinàmiques internes, o bé ser conseqüència de imperfeccions experimentals que actuen com a font externa de soroll. El segon objectiu d'aquesta tesi és la introducció de fluctuacions en mètodes de camp de fase, de forma que es pugui estudiar l'amplificació dinàmica de les pertorbacions microscòpiques que acaben donant lloc a estructures macroscòpiques. Per finalitzar, analitzem el problema de la selecció en solidificació direccional. Estudiem els règims lineal i no-lineal, tot determinant les condicions, el moment i la forma en que apareixen les estructures dendrítiques i cel·lulars. / Crystal growth is a non-equilibrium process which involves physical mechanisms at very different scales. When a solidification front advances, mass and heat diffusion processes are combined with interfacial phenomena like capillarity or kinetic attachment. A complex interplay between these mechanisms gives rise to complex interfacial structures like snowflakes or cellular patterns. The formation of microstructures in solidification has both a scientific and a technological interest. On one hand, the study of the different interfacial structures constitutes a fundamental problem in the field of non-equilibrium pattern-forming systems. On the other side, from a technological point of view, the presence of microstructures determines the final mechanical and electrical properties of the processed material. Directional solidification is a controlled solidification technique which reproduces the conditions occurring in some important metallurgical processes like material casting or zone melting refining procedures. In a directional solidification experiment, the alloy sample is pulled at a constant velocity towards the cold region of an externally-imposed temperature gradient. Depending on the growth conditions, a morphological destabilization of the solid-liquid interface occurs during early transient stages. These initial transients are associated to a solute redistribution process due to the adaptation of the concentration field to the forced motion of the sample. The main objective of this thesis is to study the dynamical evolution of the morphological deformations of the front from these initial transients to the final stages where the properties of the interfacial pattern are determined. An important point in this process is that the internal fluctuations of the system play the role of an initiation mechanism for the morphological deformations of the front. During the initial transients, some of these microscopic perturbations are amplified by several orders of magnitude, and a range of wavelengths becomes morphologically unstable. The interfacial deformations of the front can be then characterized by means of power spectrum techniques. In order to study the dynamical evolution of the solidification front in directional solidification, we have used both theoretical and computational approaches: The main computational technique used in this thesis is the phase-field approach, which is a powerful method to simulate complex interfacial phenomena. The model equations describe the evolution of a continuous field , which takes different constant values at the solid and liquid bulks of the system. This field is then coupled with equations for the mass diffusion, and allows performing numerical studies without simulating the standard Stefan-like moving boundary problem. The phase-field method provides a diffuse interface description in which the transition from solid to liquid happens in a region of a certain thickness. The interface thickness introduces a new length in the simulations which must be taken into account to recover quantitative results. One major point in this thesis concerns with the introduction of fluctuations in phase-field methods. In the particular case of variational phase-field formulations -in which the model equations can be derived from a single free energy functional for the whole system-, the introduction of fluctuations can be done by applying the Fluctuation-Dissipation theorem. Variational formulations, however, although their appealing structure, present a poor computational efficiency and cannot be used to obtain quantitative results. To this extent, we have derived a general approach which does not relay in the Fluctuation-Dissipation assumption and permits to introduce fluctuations in both variational and non-variational phase-field formulations. Well-established analytical techniques like boundary integral methods for the transient front position and linear stability analysis of the interface during the transient have been used as theoretical predictions for the computational results. The dynamical evolution of the solidification front can be divided in two stages: A linear regime where the initial noise is amplified, and a non-linear coarsening process where the final properties of the interfacial pattern are selected. We have studied these different stages of the solidification process by using the phase-field approach, and good agreement is obtained when comparing with well-established theoretical and experimental predictions.

El objetivo de este trabajo de investigación es evaluar y adaptar los modelos constitutivos existentes para la caracterización termomecánica de las aleaciones con memoria de forma de níquel-titanio (Ni-Ti) para permitir su uso en aplicaciones tecnológicas.Los modelos constitutivos macroscópicos a analizar son los desarrollados por Tanaka [TAN,1986]a Liang-Rogers [LIA,1990]b Brinson [BRI,1993]a y Auricchio [AUR,1997]a realizándose la evaluación de dichos modelos en el ámbito numérico y experimental. Pese a que existen en la literatura comparaciones previas de los modelos constitutivos macroscópicos, dichas comparaciones no han sido basados en datos experimentales propios. Con este trabajo de investigación es la primera vez que se compararan, bajo el mismo conjunto de ensayos experimentales y en las mismas condiciones, los modelos de Tanaka, Liang-Rogers, Brinson y Auricchio.Dado que los modelos constitutivos utilizan como variables de control la tensión y la temperatura, la implementación numérica de los modelos en control por deformación y temperatura se torna excesivamente compleja. En consecuencia, otra contribución esencial es el desarrollo de los algoritmos adecuados para la implementación numérica de los modelos constitutivos en control por deformación. Para ello, se utiliza una técnica semejante a la empleada por los algoritmos de plasticidad: predicción elástica-corrección plástica. En ningún caso se encuentra en la literatura el desarrollo de los algoritmos en control por deformación para todos los modelos analizados.Para la verificación experimental se desarrollan todas las técnicas adecuadas para la obtención de los parámetros constitutivos de los modelos seleccionados. Ello requiere la realización de una serie de ensayos a tracción a diferentes temperaturas. Sin embargo, el comportamiento de este material varía significativamente en el ciclado a tracción (número de veces que se repite un proceso de tracción carga-descarga) por lo que se estudia con detalle las consecuencias de la estabilización de las aleaciones con el ciclado en la obtención de los parámetros constitutivos, y se compara con la obtención de los parámetros en probetas sin ciclar. Otra aportación original de este trabajo es el estudio exhaustivo de las condiciones de la estabilización: número de ciclos, deformación en el ciclado, condiciones de estabilización y temperatura de estabilización de tal forma que queden claras la influencia de la estabilización en la obtención de los parámetros.Para complementar la contrastación experimental de los modelos constitutivos se realizan ensayos a tensión constante y a tensión constante-deformación constante, simulando la acción de un actuador. De la comparación de los resultados experimentales con las simulaciones numéricas se detectan las deficiencias y las necesidades de mejora de los modelos constitutivos macroscópicos. Como consecuencia de este análisis se propone un modelo constitutivo propio complementario al modelo de Brinson y Auricchio, que subsana las deficiencias encontradas por los modelos estudiados y complementa la modelización de estos materiales.Para contrastar las mejoras aportadas a los modelos así como para profundizar en su comparación, se desarrolla un modelo de viga empotrada sometida a flexión adecuado a las ecuaciones constitutivas evaluadas así como el análisis experimental del comportamiento a flexión de una probeta de SMA empotrada en un extremo. Este estudio teórico y experimental a flexión con viga empotrada con carga en el extremo está basado en la teoría clásica de Euler-Bernouilli. Implementando los modelos analizados bajo este estado de carga se comparan y verifican con los resultados experimentales obtenidos. Con todo este estudio se consigue un exhaustivo estudio teórico y experimental del modelado macroscópico de las Aleaciones con Memoria de Forma NiTi. / The main objective of this thesis is to evaluate and adaptate the main macromechanical constitutive models for the thermomechanical characterization of the NiTi Shape Memory Alloy allowing their use in technological applications.The constitutive models that have been analyzed are those developed for Tanaka [TAN,1986]a Liang-Rogers [LIA,1990]b Brinson [BRI,1993]a and Auricchio [AUR,1997]a being the evaluation done in a numerical and experimental way.Despite there are in the literature some comparisons of the macromechanical models these have not been based on their own experimental data. In this thesis is the first time that the Tanaka's model, Liang-Rogers's model, Brinson's model and Auricchio's model are compared under a unique group of experimental tests and under the same conditions.Given that the constitutive models use stress and temperature as control variables, the numerical implementation of the models in a strain-Temperature driven way is extremely complex. Accordingly, another essential contribution if this thesis is the development of the properly algorithm for the numerical implementation under this control way. There has been used a numerical technique similar to those used in plasticity models: elastic predictor/inelastic-corrector. Is not possible to find in the literature the development of the numerical implementation in a strain driven way for all the models studied.The suitable techniques to obtain the constitutive parameters of the models have been developed to check the experiments. This required a number of tension tests under different temperatures. However, the mechanical behaviour of Shape Memory Alloys is strongly affected by the thermomechanical history of the material. In order to develop a realistic macroscopic constitutive model is necessary that their parameters, obtained by experimental procedures, represent appropriately the cyclic behaviour of the alloy. The necessity of a stabilization of a Nitinol SMA wire is analyzed as a previous condition before obtaining these parameters. Several samples are cycled in tension at different temperatures in the range of the shape memory effect, and the number of cycles needed to the stabilization is deduced. The parameters obtained in this way are compared with those obtained under the non-cycled conditions. This is another important contribution of this thesis: the analysis of the conditions for the material stabilization.In order to obtain a completely experimental validation of the models, there have been developed tests under constant stress and constant stress-constant strain in a similar way of an actuator work. Being detected the main differences between experimental tests and numerical results, a new constitutive model has been proposed. This model is based on the Brinson and Auricchio model and improves the material characterization.To improve the models validation a beam model (cantilever model) has been developed and checked under experimental procedures. This beam model is based on the classical Euler-Bernouilli theory and needs the analyzed constitutive relations. With all this study, a completely theoretical and experimental analysis has been done in order to predict the response of the SMA NiTi to different kind of loading.