The analysis of the dynamic behaviour of rotating turbomachinery components is of relevant interest to avoid damages or fatigue problems in these parts. To determine the dynamic behaviour of a part of a structure it is necessary to perform an analysis of the free vibration of this part and a study of the excitation characteristic. The free vibration analysis (modal analysis) determines the natural frequencies and mode shapes of the structure. The excitation analysis gives the frequency content and the shape of the excitation. Hydraulic runners are very complex structures that are submerged and confined inside a casing. Particularly pump-turbine runners behave as disk-like structures at their first modes of vibration and they are excited with the well known Rotor-Stator Interaction (RSI) when they are under operation. In order to study the effect of the rotation, the confinement and the excitation on the dynamic behaviour of the structure in a systematic and clear way, a simplified model is needed. For this reason, in this thesis the dynamic behaviour of a rotating disk submerged in water and confined inside a casing has been analyzed analytically, experimentally and contrasted with simulation. Firstly, an analytical model for the analysis of the dynamic behaviour is presented. The natural frequencies and mode shapes of a rotating disk considering the surrounding flow are analytically determined with a simplified model. Also the response of the disk with different excitation patterns that simulates the RSI is analyzed. Finally the transmission from the rotating to the stationary frame is discussed. For the experimental analysis a rotating disk test rig has been developed. It consists of a rotating disk submerged and confined inside a casing. The disk has been excited from the rotating frame with piezoelectric patches (PZT) and with a special impact device. The response of the disk has been measured simultaneously from the rotating and from the stationary frame. The first several natural frequencies and mode shapes of the disk when it rotates in air and in water have been obtained in the rotating frame with miniature accelerometers screwed on the disk and contrasted with the analytical model presented and with a numerical FEM simulation. Only the diametrical modes, which are the most relevant and similar to the real hydraulic runners, have been considered in this study. The disk has been excited with several rotating excitation patterns that simulate the real RSI. The dynamic behaviour of the disk due to these excitation patterns has been determined experimentally and contrasted with the analytical model. / L'anàlisi del comportament dinàmic de components rotatius en turbomàquines és de gran interès per a evitar danys o problemes de fatiga en aquestes parts. Per determinar el comportament dinàmic d'una part d'una estructura és necessari dur a terme una anàlisi de la vibració lliure d'aquesta part i un estudi de la característica d'excitació. L'anàlisi de les vibracions lliures (anàlisi modal) determina les freqüències i modes propis de l'estructura. Amb l'anàlisi de l’excitació s’obté el contingut freqüencial i el mode de la excitació. Els rodets hidràulics són estructures molt complexes que es troben submergides i confinades dins d'una carcassa. Particularment els rodets de màquines turbina-bomba es comporten com a estructures en forma de disc en els seus primers modes de vibració i estan excitats amb la coneguda interacció rotor-estator (RSI) quan estan en funcionament. Per tal d'estudiar l'efecte de la rotació, el confinament i l'excitació en el comportament dinàmic de l'estructura d'una manera sistemàtica i clara, es necessita un model simplificat. Per això, en aquesta tesi el comportament dinàmic d'un disc giratori submergit en aigua i confinat dins d'una carcassa s'ha analitzat analíticament, experimentalment i contrastat amb simulació. En primer lloc, es presenta un model analític per a l'anàlisi del comportament dinàmic. Les freqüències i modes propis d'un disc giratori considerant el flux que l’envolta es determinen analíticament amb un model simplificat. També s'analitza la resposta del disc amb diferents patrons d'excitació que simulen la excitació RSI. Finalment es discuteix la transmissió del sistema rotatiu al sistema estacionari. Per a l'anàlisi experimental s'ha desenvolupat un banc de proves que consisteix d'un disc giratori submergit i confinat dins d'una carcassa. El disc ha estat excitat des del sistema rotatiu amb excitadors piezoelèctrics (PZT) i amb un dispositiu d'impacte especialment dissenyat. La resposta del disc s'ha mesurat simultàniament des del sistema rotatiu i des del sistema estacionari. Les primeres freqüències i modes propis del disc quan gira en aire i en aigua s'han obtingut des del sistema rotatiu amb acceleròmetres miniatura cargolats en el disc i s’han contrastat amb les obtingudes amb el model analític presentat i amb una simulació numèrica d’elements finits (FEM). Només els modes diametrals del disc, que són els més rellevants i similars als dels rodets hidràulics, s'han considerat en aquest estudi. El disc ha estat excitat amb diversos patrons d'excitació que simulen el veritable RSI. El comportament dinàmic del disc a causa d'aquests patrons d'excitació ha estat determinat experimentalment i contrastat amb el model analític. Finalment, s'ha realitzat l'anàlisi de la transmissió des del sistema rotatiu al sistema estacionari. Les freqüències i modes propis del disc s'han detectat amb diversos tipus de sensors col•locats al sistema estacionari. / El análisis del comportamiento dinámico de componentes rotativos en turbomáquinas es de gran interés para evitar daños o problemas de fatiga en estas partes. Para determinar el comportamiento dinámico de una parte de una estructura es necesario llevar a cabo un análisis de la vibración libre de esta parte y un estudio de la característica de excitación. El análisis de las vibraciones libres (análisis modal) determina las frecuencias y modos propios de la estructura. Con el análisis de la excitación se obtiene el contenido frecuencial y el modo de la excitación. Los rodetes hidráulicos son estructuras muy complejas que se encuentran sumergidas y confinadas dentro de una carcasa. Particularmente los rodetes de máquinas turbina-bomba se comportan como estructuras en forma de disco en sus primeros modos de vibración y están excitados con la conocida interacción rotor-estator (RSI) cuando están en funcionamiento. Para estudiar el efecto de la rotación, el confinamiento y la excitación en el comportamiento dinámico de la estructura de una manera sistemática y clara, se necesita un modelo simplificado. Por ello, en esta tesis el comportamiento dinámico de un disco giratorio sumergido en agua y confinado dentro de una carcasa se ha analizado analíticamente, experimentalmente y contrastado con simulación. En primer lugar, se presenta un modelo analítico para el análisis del comportamiento dinámico. Las frecuencias y modos propios de un disco giratorio considerando el flujo que lo rodea se determinan analíticamente con un modelo simplificado. También se analiza la respuesta del disco con diferentes patrones de excitación que simulan la excitación RSI. Finalmente se discute la transmisión del sistema rotativo al sistema estacionario. Para el análisis experimental se ha desarrollado un banco de pruebas que consiste de un disco giratorio sumergido y confinado dentro de una carcasa. El disco ha sido excitado desde el sistema rotativo con excitadores piezoeléctricos (PZT) y con un dispositivo de impacto especialmente diseñado. La respuesta del disco se ha medido simultáneamente desde el sistema rotativo y desde el sistema estacionario. Las primeras frecuencias y modos propios del disco cuando gira en aire y en agua se han obtenido desde el sistema rotativo con acelerómetros miniatura atornillados en el disco y se han contrastado con las obtenidas con el modelo analítico presentado y con una simulación numérica de elementos finitos (FEM). Sólo los modos diametrales del disco, que son los más relevantes y similares a los de los rodetes hidráulicos, se han considerado en este estudio. El disco ha sido excitado con varios patrones de excitación que simulan el verdadero RSI. El comportamiento dinámico del disco debido a estos patrones de excitación ha sido determinado experimentalmente y contrastado con el modelo analítico. Finalmente, se ha realizado el análisis de la transmisión desde el sistema rotativo al sistema estacionario. Las frecuencias y modos propios del disco se han detectado con varios tipos de sensores colocados en el sistema estacionario.

La sinterització de partícules d'Ag és una solució interessant com a material per "die-attach" pels mòduls de l'electrònica de potència, principalment per aplicacions d'alta temperatura, ja que ofereix les bones propietats de l'Ag (incloent el punt de fusió de 961 ºC) utilitzant una baixa temperatura de procés (< 300 ºC) . En aquest treball s'ha estudiat el procés per a la sinterització de partícules d'Ag i s’ha realitzat una anàlisi comparativa amb altres materials utilitzant cicles tèrmics. Primer, hem analitzat l'efecte dels principals paràmetres del procés de sinterització de la capa sinteritzada d'Ag amb l'objectiu d'obtenir informació per l'aplicació directa de pastes d'Ag en mòduls de potència, i així, comprendre els principals mecanismes que regulen les propietats d'aquest material. Aquesta tasca va requerir el desenvolupament de muntatges experimentals i eines específiques que van permetre establir les diferents condicions del procés. Els paràmetres de sinterització analitzats van ser: la pressió, temperatura, temps, mètode d’assecat de la pasta d'Ag i les condicions de la superfície del substrat. L'anàlisi basada en les microseccions FIB i els tests de "die-shear" van revelar que la densificació de la capa d'Ag i la seva adherència al substrat de Cu, milloren clarament amb major pressió i temperatura de sinterització, i que es veuen poc afectades pel temps de sinteritzat. Aquests fets evidenciaven que la perifèria del "die-attach" està fortament influenciada per l'ambient (aire) i que, en aquesta regió s’eliminen millor els components orgànics de la pasta d'Ag (durant l'etapa de secat) que en el centre. Aquest procés ha estat identificat com el més crític durant la sinterització i el mètode d’assecat sense el xip sobre la pasta, ha estat el que ha mostrat els millors resultats. Un resultat interessant de l'estudi és que, la pressió i la temperatura de sinterització es poden ajustar de forma complementària per obtenir una adhesió requerida (valor de "die-shear"). D'aquesta manera, el procés de sinterització es pot adaptar a diferents condicions de processat, com per exemple mostres compatibles amb altes pressions, però no amb altes temperatures o viceversa. També s'ha portat a terme una anàlisi comparativa del comportament termomecànic amb altres materials de "die-attach" (AuGe i PbSnAg) amb proves de cicles tèrmics severs (-65 ºC a 275 ºC) utilitzant vehicles de prova formats per varis xips (Si o SiC) i substrats (Cu sense metal·litzar i metal·litzats amb Ag i Au). Les mostres van ser ciclades (en un muntatge experimental desenvolupat específicament) i avaluades amb un protocol basat en el test de "die-shear" i inspeccions SAM, per a determinar els modes de fallada. La millor força de “die-shear” es va obtenir en tots els casos per a les partícules sinteritzades d'Ag, encara que la velocitat de degradació més alta va ser per a les mostres de plata sinteritzada assecades amb xip. En contrast, pel mètode d’assecat sense xip, el sinteritzat d'Ag mostra inclús millors resultats en el cicle tèrmic, que pels aliatges de soldadura. En quant al material semiconductor, els resultats dels cicles tèrmics mostren que la taxa de degradació és més ràpida per a les mostres amb SiC, que per a les elaborades amb Si, mentre que per al les soldadures (aliatges) el PbSnAg mostra millors resultats que l’AuGe. En aquest sentit es va realitzar un treball de simulació termomecànica per entendre els mecanismes de degradació durant el cicle tèrmic. Les simulacions van demostrar que els estressos normals més alts associats amb els canvis de temperatura es troben a la interfase "die-attach"/ substrat, amb els valors màxims a les cantonades del xip i a la seva perifèria. Aquests resultats expliquen qualitativament les imatges SAM que mostren patrons de delaminació concèntriques al "die-attach" i, a més a més, que els materials "més rígids" (amb major mòdul de Young, com SiC i AuGe) mostren taxes de degradació més ràpides. / La sinterización de partículas de Ag es una solución interesante como material para die-attach para los módulos de la electrónica de potencia principalmente en aplicaciones de alta temperatura, ya que ofrece las propiedades sobresalientes de la Ag (incluyendo punto de fusión de 961 ºC) usando una baja temperatura de proceso (< 300 ºC). En este trabajo se ha estudiado el proceso para la sinterización de partículas de Ag y se realizó un análisis comparativo con otros materiales utilizando ciclos térmicos. Primero, hemos analizado el efecto de los principales parámetros del proceso de sinterización de la capa sinterizada de Ag con el objetivo de obtener información para la aplicación directa de pastas de Ag en módulos de potencia, y además, comprender los principales mecanismos que regulan las propiedades de este material. Esta tarea requirió el desarrollo de montajes experimentales y herramientas específicas que permitieron establecer las diferentes condiciones del proceso. Los parámetros de sinterización analizados fueron la presión, temperatura, tiempo, método de secado de la pasta de Ag y las condiciones de la superficie del sustrato. El análisis basado en las microsecciones FIB y los test de die-shear revelaron que la densificación de la capa de Ag y su adherencia al sustrato de Cu mejora claramente con mayor presión y temperatura de sinterización, y que se ve poco afectado con el tiempo. En el centro de la capa de Ag, el nivel de densificación es menor que en la periferia, donde, además, aparece una fina capa de óxido de Cu. Estos hechos evidenciaron que la periferia del die-attach está fuertemente influenciada por el ambiente (aire) y que en esta región se eliminaron mejor que en el centro los componentes orgánicos de la pasta de Ag (durante la etapa de secado). Este proceso ha sido identificado como el más crítico durante la sinterización y el método de pre-secado sin el chip en la parte superior de la pasta, ha sido el que ha mostrado los mejores resultados. Un resultado interesante del estudio es que, la presión y la temperatura de sinterización se pueden ajustar de forma complementaria para obtener una adhesión requerida (valor de die-shear). De esta manera, el proceso de sinterización se puede adaptar a diferentes condiciones del ensamblado, tales como las muestras compatibles con altas presiones, pero no con altas temperaturas o viceversa. Se ha llevado a cabo un análisis comparativo del rendimiento termo-mecánico con otros materiales de die-attach (AuGe y PbSnAg) con pruebas de ciclos térmicos severos (-65 ºC a 275 ºC) utilizando vehículos de prueba formados por varios chips (Si o SiC) y sustratos (Cu sin metalizar y metalizados con Ag y Au). Las muestras fueron cicladas (en un montaje experimental desarrollado específicamente) y evaluados con un protocolo basado en test de die-shear e inspecciones SAM, para determinar los modos de fallo. La mejor fuerza se obtuvo en todos los casos para las partículas sinterizadas de Ag, aunque la tasa de degradación más alta fue para las muestras secadas con chip. En contraste, para el método de secado sin chip, el sinterizado de Ag muestra incluso mejores resultados en el ciclo térmico, que las aleaciones de soldadura. En cuanto a la material semiconductor, los resultados de los ciclos térmicos muestran que la tasa de degradación es más rápida para las muestras con SiC, que para las elaboradas con Si, mientras que para las soldaduras (aleaciones) el PbSnAg muestra mejores resultados que el Auge. En este sentido, se realizó un trabajo de simulación termo-mecánica para entender los mecanismos de degradación durante el ciclo térmico. Las simulaciones demostraron que los estreses normales más altos asociados con los cambios de temperatura se encuentran en la interfaz die-attach / sustrato, con los valores máximos en las esquinas del chip y su periferia. Estos resultados explican cualitativamente las imágenes SAM que muestran patrones de delaminación concéntricas en die-attach y además, que los materiales "más rígidos" (con mayor módulo de Young, como SiC y AuGe) muestran tasas de degradación más rápidas. / Sintering of Ag particles is an interesting solution as die-attach material for power electronics packaging in high temperature applications because it offers the outstanding properties of Ag (including a 961 ºC melting point) using low process temperature (< 300 ºC). In this work we have studied the processing methods for sintering Ag particles and we performed a comparative analysis with other die-attach materials based on thermal cycling. We have first analysed the effect of the main sintering process parameters on the final characteristics of the Ag die-attach layers with the aim at obtaining information for the direct application of Ag pastes in power assemblies, and for understanding the main mechanisms governing the properties of this material. This task required the development of specific set-ups and tools allowing the settling of different process conditions. The sintering parameters analysed were pressure, temperature, time, Ag paste drying method and substrate surface condition. The analysis based on FIB microsections and die-shear tests revealed that the densification of the Ag layer and its adherence to the Cu substrate clearly improve with higher sintering pressure and temperature, and is practically not affected with time. In the centre of the Ag layer, the level of densification is lower than in the periphery, where, in addition, a thin Cu oxide layer appears. Those facts evidenced that the die-attach periphery is strongly influenced by the surrounding ambient (air) and that in this region the organic components of the original paste are better eliminated than in the centre during the Ag paste drying step. This process has been identified as perhaps the most critical one during sintering and a drying method without the die on top of the paste has shown the best results. An interesting result of the study is that sintering pressure and temperature can be adjusted complementarily to obtain a given die-attach adhesion (die-shear value). In this way, the sintering process can be adapted to different assembly conditions such as, for example, samples compatible with high pressures but not with high temperatures or vice versa. A comparative analysis of the thermo-mechanical performances with other die-attach materials (AuGe, and PbSnAg) under harsh thermal cycling tests (-65 ºC to 275 ºC) has been carried out using test vehicles formed by several dice (Si or SiC) and Cu substrates (bare Cu, Ag and Au plated surface). The test vehicles were cycled in a specifically developed set-up and evaluated with an experimental protocol based on die-shear tests, failure mode determination and SAM inspection. The best initial die-shear strength was obtained in all cases for sintered Ag particles, contrasting with the highest degradation rate observed for this material dried with chip on top of the paste. In contrast, for the drying method without die, sintered Ag shows even better cycling results than the solder alloys. Concerning the semiconductor material, the thermal cycling results show that the degradation rate is faster for SiC- than for Si-based test vehicles, while concerning strictly the solder alloys PbSnAg shows better results than AuGe. In this sense, a thermo-mechanical simulation work was performed to understand the degradation mechanisms during thermal cycling. The simulations demonstrated that the higher normal stresses associated with temperature swings were located at the die-attach/substrate interface, with the maximum values in the corners of the die and its periphery. These results qualitatively explain the SAM images showing concentric die-attach delamination patterns and the fact that “stiffer” materials (with higher Young modulus, such as SiC and AuGe) show faster degradation rates.

The present work is a compilation of the research produced in the field of wave propagation modeling. It contains in-depth analysis of stability, convergence, dispersion and dissipation of spatial, temporal and spatial-temporal discretization schemes. Space discretization is done using stabilized finite element methods denoted with the acronyms ASGS and OSS. Time discretization is done using finite difference methods including backward Euler (BE), 2nd order backward differentiation formula (BDF2) and Crank-Nicolson (CN). Firstly, we propose two stabilized finite element methods for different functional frameworks of the wave equation in mixed form. These stabilized finite element methods are stable for any pair of interpolation spaces of the unknowns. The variational forms corresponding to different functional settings are treated in an unified manner through the introduction of length scales related to the unknowns. Stability and convergence analysis is performed together with numerical experiments. It is shown that modifying the length scales allows one to mimic at the discrete level the different functional settings of the continuous problem and influence the stability and accuracy of the resulting methods. Then, we develop numerical approximations of the wave equation in mixed form supplemented with non-reflecting boundary conditions (NRBCs) of Sommerfeld-type on artificial boundaries for truncated domains. We consider three different variational forms for this problem, depending on the functional space for the solution, in particular, in what refers to the regularity required on artificial boundaries. Then, stabilized finite element methods that can mimic these three functional settings are described. Stability and convergence analyses of these stabilized formulations including the NRBC are presented. Additionally, numerical convergence test are evaluated for various polynomial interpolations, stabilization methods and variational forms. Finally, several benchmark problems are solved to determine the accuracy of these methods in 2D and 3D. Afterwards, we analyze time marching schemes for the wave equation in mixed form. The problem is discretized in space using stabilized finite elements. On the one hand, stability and convergence analyses of the fully discrete numerical schemes are presented. On the other hand, we use Fourier techniques (also known as von Neumann analysis) in order to analyze stability, dispersion and dissipation. Additionally, numerical convergence tests are presented for various time integration schemes, polynomial interpolations (for the spatial discretization), stabilization methods, and variational forms. Finally, a 1D example is solved to analyze the behavior of the different schemes considered. Later, we present various application examples and compare the numerical results of the different algorithms i.e. ASGS or OSS stabilization and BE, BDF2 or CN time marching schemes. Additionally, comparison with experiments is performed in some cases. Finally, conclusions are drawn including the research achievements and future work. / El presente trabajo es una compilación de la investigación producida en el campo de modelado de propagación de ondas. Contiene análisis de estabilidad, convergencia, dispersión y disipación de discretizaciones espaciales, temporales y espacio-temporales. La discretización espacial se hace usando elementos finitos estabilizados denotados por los acrónimos ASGS y OSS. La discretización temporal se hace usando métodos de diferencias finitas incluyendo backward Euler (BE), backward differentiation formula de 2do orden (BDF2) y Crank-Nicolson (CN). En primer lugar, proponemos dos métodos de elementos finitos estabilizados para diferentes marcos funcionales de la ecuación de ondas en forma mixta. Estos métodos de elementos finitos estabilizados son estables para cualquier par de espacios de interpolación de las incógnitas. Las formas variacionales que corresponden a los diferentes marcos funcionales son tratadas de manera unificada a través de la introducción de longitudes de escalado relacionadas a las incógnitas. Estabilidad y convergencia son analizadas junto con experimentos numéricos. Se muestra como modificando las longitudes de escalado se puede reproducir a nivel discreto los diferentes marcos funcionales del problema continuo y como influencian la estabilidad y precisión de los métodos resultantes. Luego, desarrollamos aproximaciones numéricas de la ecuación de ondas en forma mixta complementadas con condiciones de frontera de no-reflexión (NRBCs) de tipo Sommerfeld sobre fronteras artificiales para dominios truncados. Análisis de estabilidad y convergencia de estas formulaciones estabilizadas incluyendo la NRBC son presentados. Adicionalmente, pruebas de convergencia son llevadas a cabo para varias interpolaciones polinomiales, métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, varios problemas de referencia son resueltos para determinar la precisión de estos métodos en 2D y 3D. Después, analizamos esquemas de discretización temporal para la ecuación de ondas en forma mixta. El problema es discretizado en el espacio utilizando elementos finitos estabilizados. Por un lado, análisis de convergencia y estabilidad de los esquemas numéricos totalmente discretos son presentados. Por otro lado, usamos técnicas de Fourier (también conocidas como análisis de von Neumann) con el fin de analizar estabilidad, dispersión y disipación. Adicionalmente, pruebas numéricas de convergencia son presentadas para varios esquemas de integración temporal, interpolaciones polinomiales (para la discretización espacial), métodos de estabilización y formas variacionales. Finalmente, un ejemplo 1D es resuelto para analizar el comportamiento de los diferentes esquemas numéricos considerados. Más tarde, presentamos varios ejemplos de aplicación y comparamos los resultados numéricos de los diferentes algoritmos. Por ejemplo estabilización ASGS/OSS y esquemas de integración temporal BD/BDF2/CN. Adicionalmente, se compara los resultados numéricos con resultados experimentales en algunos casos. Por último, las conclusiones son presentadas incluyendo los logros obtenidos en esta investigación y el trabajo futuro.

Aquesta tesi tracta l'estudi de protocols de comunicació quàntica amb sistemes devariable continua (CV). Els sistemes de CV són aquells descrits per coordenades canòniques conjugades $x$ i $p$ dotades amb un espai de Hilbert de dimensió in&#64257;nita. Una classe especial de sistemes CV són, els anomenats estats Gaussians.Contràriament als sistemes discrets, els estats Gaussians entrellaçats no es podendestil·lar només amb operacions Gaussianes. No obstant va ser mostrat que, és possible extreure bits clàssics perfectament correlacionats per establir claus secretes aleatòries. Apropiadament modi&#64257;quem el protocol usant entrellaçament Gaussià bipartit per assolir la distribució de claus quàntiques de manera e&#64257;cient i realista. Descrivim i demostrem la seguretat en front de diversos possibles atacs enla comunicació, detallant els recursos necessaris. També hem considerat un protocol tripartit simple conegut com Acord Bizantí. És un vell protocol de comunicació clàssica en el què els participants (amb possibles traïdors entre ells)només podem comunicar-se en parelles, mentre intenten arribar a una decisiócomú. Clàssicament hi ha un límit en el nombre màxim de traïdors que poden estar involucrats dins el joc. No obstant, una solució quàntica existeix. Mostrem aquestasolució dins els CV usant estats entrellaçats Gaussians multipartits i operacionsGaussianes. A més, mostrem sota quines premisses, entrellaçament contingut als estats, soroll, detectors ine&#64257;cients, el nostre protocol és e&#64257;cient i aplicable amb tecnologia actual. És conegut que tot i que el seu rol excepcional dins els estats CV, de fet, els estats Gaussians no són sempre els millors candidats per desenvolupar tasquesd'informació quàntica. Així, ataquem el problema de la quanti&#64257;cació de correlacions(clàssiques i/o quàntiques) entre dos modes CV (Gaussians i no Gaussians).Proposem de&#64257;nir les correlacions entre dos modes com el màxim numero de bits correlacionats extrets a través de mesures locals en les quadratures de cadamode. En els estats Gaussians, on l'entrellaçament és accessible a través de la seva matriu de covariança la nostra quanti&#64257;cació majoritza l'entrellaçament, reduint¬se a un monotó d'entrellaçament per estats purs. Per estats no Gaussians, com estats fotònics de Bell, estats foto-substrets i mescles d'estats Gaussians, la correlació de bits en quadratures mostra ser també una funció monòtona amb la negativitat. Aquesta quanti&#64257;cació dóna una operacional i factible manera de mesurar l'entrellaçament no Gaussià en experiments actuals mitjançant detecció homodine directa i sense necessitar una tomogra&#64257;a completa de l'estat amb lamateixa di&#64257;cultat que si es tractes d'estats Gaussians. Finalment ens hem focalitzat amb col·lectivitats atòmiques descrites com CV. L'entrellaçament induït per la mesura entre dos col·lectivitats atòmiques macroscòpiques va ser reportat experimentalment al 2001. Allà, la interacció entreun únic pols làser apropant-se a través de dos col·lectivitats atòmiques separades espacialment combinat amb una mesura projectiva &#64257;nal en la llum permetia la creació d'entrellaçament EPR pur entre les dues col·lectivitats. Mostrem com generar, manipular i detectar entrellaçament mesoscopic entre un nombre arbitraride col·lectivitats a través d'una interfície llum-matèria quàntica no demolidora. Lanostra proposta s'extén d'una manera no trivial per entrellaçament multipartit (GHZ ide tipus clúster) sense la necessitat de camps magnètics locals. A més mostrem sorprenentment que, donat el caràcter irreversible de la mesura, la interacció de la col·lectivitat atòmica amb un segon feix de llum pot modi&#64257;car e inclús revertir la acció d'entrellaçament del primer deixant la col·lectivitat en un estat separable. / This thesis deals with the study of quantum communication protocols with Continuous Variable (CV) systems. CV systems are those described by canonical conjugated coordinates $x$ and $p$ endowed with in&#64257;nite dimensional Hilbertspaces, thus involving a complex mathematical structure. A special class of CVstates, are the so-called Gaussian states. We present a protocol that permits toextract quantum keys from entangled Gaussian states. Differently from discretesystems, Gaussian entangled states cannot be distilled with Gaussian operations only. However it was already shown, that it is still possible to extract perfectly correlated classical bits to establish secret random keys. We properly modify theprotocol using bipartite Gaussian entanglement to perform quantum key distribution in an ef&#64257;cient and realistic way. We describe and demonstrate security in front of different possible attacks on the communication, detailing the resources demanded. We also consider a simple 3-partite protocol known as Byzantine Agreement. It is anold classical communication problem in which parties (with possible traitors amongthem) can only communicate pairwise, while trying to reach a common decision. Classically, there is a bound in the maximal number of possible traitors that can be involved in the game. Nevertheless, a quantum solution exist. We show that solution within CV using multipartite entangled Gaussian states and Gaussian operations. Furthermore, we show under which premises concerning entanglement content of the state, noise, inef&#64257;cient homodyne detectors, our protocol is ef&#64257;cient and applicable with present technology. It is known that in spite of their exceptional role within the space of all CV states, in fact, Gaussian states are not always the best candidates to perform quantum information tasks. Thus, we tackle the problem of quanti&#64257;cation of correlations (quantum and/or classical) between two CV modes (Gaussian and non-Gaussian). We propose to de&#64257;ne correlations between the two modes as the maximal number of correlated bits extracted via local quadrature measurements on each mode. On Gaussian states, where entanglement is accessible via their covariance matrix ourquanti&#64257;cation majorizes entanglement, reducing to an entanglement monotone for pure states. For non-Gaussian states, such as photonic Bell states, photon subtracted states and mixtures of Gaussian states, the bit quadrature correlationsare shown to be also a monotonic function of the negativity. This quanti&#64257;cation yields a feasible, operational way to measure non-Gaussian entanglement in currentexperiments by means of direct homodyne detection, without needing a complete state tomography with the same complexity as if dealing with Gaussian states. Finally we focus to atomic ensembles described as CV. Measurement induced entanglement between two macroscopical atomic samples was reported experimentally in 2001. There, the interaction between a single laser pulsepropagating through two spatially separated atomic samples combined with a &#64257;nal projective measurement on the light led to the creation of pure EPR entanglement between the two samples. We show how to generate, manipulate and detect mesoscopic entanglement between an arbitrary number of atomic samples through a quantum non-demolition matter-light interface. Our proposal extends in a non-trivialway for multipartite entanglement (GHZ and cluster-like) without needing local magnetic &#64257;elds. Moreover, we show quite surprisingly that given the irreversiblecharacter of a measurement, the interaction of the atomic sample with a secondpulse light can modify and even reverse the entangling action of the &#64257;rst one leavingthe samples in a separable state.

Graphene deposited on a substrate often exhibits out-of-plane deformations with different features and origins. Networks of localized wrinkles have been observed in graphene synthesized through CVD, as a result of compressive stresses transmitted by the substrate. Graphene blisters have been reported with various sizes and shapes, and have been shown to be caused by gas trapped between graphene and substrate. Such wrinkles or bubbles locally modify the electronic properties and are often seen as defects. It has been also suggested that the strong coupling between localized deformation and electronic structure can be potentially harnessed in technology by strain engineering, although it has not been possible to precisely control the geometry of out-of-plane deformations, partly due to an insufficent theoretical understanding of the underlying mechanism, particularly under biaxial strains. The specific contributions of the thesis are outlined next. Firstly, we study the emergence of spontaneous wrinkling in supported and laterally strained graphene with high-fidelity simulations based on an atomistically informed continuum model. With a simpler theoretical model, we characterize the onset of buckling and the nonlinear behavior after the instability in terms of the adhesion and frictional material parameters of the graphene-substrate interface. We find that a distributed rippling linear instability transits to localized wrinkles due to the nonlinearity in the van der Waals graphene-substrate interactions. We identify friction as a selection mechanism for the separation between wrinkles, because the formation of far apart wrinkles is penalized by the work of friction. Secondly, we examine the mechanics of wrinkling in supported graphene upon biaxial strains. With realistic simulations and an energetic analysis, we understand how strain anisotropy, adhesion and friction govern spontaneous wrinkling. We then propose a strategy to control the location of wrinkles through patterns of weaker adhesion. These mechanically self-assembled networks are stable under the pressure produced by an enclosed fluid and form continuous channels, opening the door to nano-fluidic applications. Finally, we examine the coexistence of wrinkles and blisters in supported graphene. By changing the applied strain and gas mass trapped beneath the graphene sample, we build a morphological diagram determining the size and shape of graphene bubbles, and their coexistence with wrinkles. As a whole, the research described above depicts a systematic and broad understanding of out-of-plane deformations in monolayer graphene on a substrate, and could be a theoretical foundation towards strain engineering in supported graphene. / La deposición de grafeno sobre un substrato a menudo exhibe deformaciones fuera del plano con diversas características y orígenes. Al sintetizar grafeno se han observado mediante CVD redes de arrugas localizadas, como resultado de tensiones de compresión transmitidas por el sustrato. Mientras tanto ha sido posible identificar el gas atrapado entre el grafeno y el sustrato como el responsable del origen de ampollas de tamaños y formas diversos. Tanto las arrugas como las burbujas modifican localmente las propiedades electrónicas, lo que a menudo se considera como defectos. También se ha sugerido que el fuerte acoplamiento entre la deformación localizada y la estructura electrónica podría ser tecnológicamente aprovechada mediante la ingeniería de deformación. Desafortunadamente hasta el presente no ha sido posible controlar con precisión la geometría de las deformaciones fuera del plano, en parte debido a una insuficiente comprensión teórica del mecanismo subyacente, especialmente bajo deformaciones biaxiales. Las contribuciones específicas de la presente tesis se describen a continuación. En primer lugar, estudiamos la aparición espontánea de arrugas en muestras de grafeno simplemente apoyadas y lateralmente tensionadas mediante simulaciones de alta fidelidad, con base en un modelo continuo atomísticamente informado. A través de un modelo teórico simple caracterizamos la aparición de pandeo y el comportamiento no lineal, después de la inestabilidad, en términos de los parámetros de adhesión y de fricción de la interfaz grafeno-sustrato. Encontramos que una ondulación distribuida de una inestabilidad lineal transita hacia arrugas localizadas debido a la no linealidad en las interacciones de van der Waals entre el grafeno y el substrato. Identificamos la fricción como un mecanismo de selección para la separación entre las arrugas, debido a que la formación de arrugas distantes es penalizada por el trabajo de fricción. En segundo lugar, analizamos la mecánica de arrugas en grafeno apoyado bajo deformaciones biaxiales. Mediante simulaciones realistas y un análisis energético, entendemos cómo la deformación anisotropíca, la adherencia y la fricción gobiernan la rugosidad espontánea. Consecuentemente, proponemos una estrategia para controlar la ubicación de las arrugas a través de patrones de débil adherencia. Estas redes mecánicamente auto-ensambladas son estables bajo la presión producida por un fluido encerrado y forman canales continuos, posibilitando el desarrollo de aplicaciones de nano fluidos. Finalmente, analizamos la coexistencia de arrugas y de ampollas en muestras de grafeno apoyado. Mediante el control de la deformación aplicada así como de la masa de gas atrapada debajo de la muestra de grafeno, construimos un diagrama morfológico para determinar el tamaño y la forma de burbujas de grafeno, y su coexistencia con las arrugas. En su conjunto, la investigación descrita anteriormente representa una comprensión sistemática y amplia de las deformaciones fuera del plano en muestras de grafeno monocapa apoyadas sobre un sustrato, y podría servir como fundamento teórico en la incipiente área de ingeniería de deformación en grafeno.

En aquesta tesi doctoral s'estudia el comportament acústic dels monestirs cistercencs masculins del Camp de Tarragona. Existeixen estudis anteriors sobre l'acústica d'abadies cistercenques, de la Provença francesa i del nord d'Itàlia, els resultats dels quals plantegen un suposat coneixement avançat d'acústica per part dels monjos cistercencs. No obstant això, les dades disponibles per a aquesta tipologia arquitectònica, per l'antiguitat i metodologia dels estudis, són limitats i, en ocasions, els paràmetres estudiats són poc rellevants. Es planteja així la possibilitat d'un estudi complet de les principals estances dels monestirs per determinar la seva resposta acústica i replantejar les teories proposades en els estudis anteriors L'arquitectura cistercenca ve marcada per l'estricta contemplació que de la Regla de Sant Benet va implantar Bernard de Claraval. En el seu escrit de 1124 Apologia a Guillermo, Bernaro va establir els criteris teòrics que després s'emprarien en la construcció de totes les abadies cistercenques. La base d'aquests és l'esperit de pobresa i / En esta tesis doctoral se estudia el comportamiento acústico de los monasterios cistercienses masculinos del Camp de Tarragona. Existen estudios anteriores sobre la acústica de abadías cistercienses, de la Provenza francesa y del norte de Italia, cuyos resultados plantean un supuesto conocimiento avanzado de acústica por parte de los monjes cisterciense. No obstante, los datos disponibles para esta tipología arquitectónica, por la antigüedad y metodología de los mismos, son limitados y, en ocasiones, los parámetros estudiados son poco relevantes. Se plantea así la posibilidad de un estudio completo de las principales estancias de los monasterios para determinar su respuesta acústica y replantear las teorías propuestas en los estudios anteriores La arquitectura cisterciense viene marcada por la estricta contemplación que de la Regla de San Benito implantó Bernardo de Claraval. En su escrito de 1124 Apología a Guillermo, Bernardo estableció los criterios teóricos que luego se emplearían en la construcción de todas las abadías cistercienses. La base de estos es el espíritu de pobreza / In this doctoral thesis there is studied the acoustic behavior of the Cistercian masculine monasteries of the Camp of Tarragona. Previous studies exist on the acústica of Cistercian abbeys, of the French Provence and of the north of Italy, which results raise a supposed advanced knowledge of acoustics on the part of the monks Cistercian. Nevertheless, the available information for this architectural typology, for the antiquity(antique) and methodology of the same ones, is limited and, in occasions, the studied parameters are slightly relevant. There appears this way the possibility of a complete study of the principal stays of the monasteries to determine his(her,your) acoustic response and to restate the theories proposed in the previous studies. The Cistercian architecture comes marked by the strict contemplation that of St Benedict's Rule Bernard de Claraval implemented. In his writing of 1124 Apology to William, Bernard established the theoretical criteria that then would be used in the construction of all the Cistercian abbeys. The base of these is the spirit of poverty and rigorous asceticism

El uso de imágenes de UltraSonidoIntraVascular (IVUS) para la extracción de información cuantitativa sirve de gran ayuda en el diagnóstico y tratamiento de vasos arteroscleróticos. En la actualidad, esta clase de análisis es realizado por los médicos en forma semi-empírica, sin tomar en cuenta los principios que rigen la generación de la imagen, de la misma manera que tampoco se toma en cuenta la evolución temporal de la pared del vaso. Este hecho empobrece el uso de esta técnica, debido a que el análisis y la interpretación de las imágenes se basa sólo en los valores de los niveles de gris y en el comportamiento morfo-geométrico estático de la pared del vaso.Tomando en cuenta esta carencia técnica y conceptual, hemos dividido esta tesis doctoral en cuatro vías de investigación: La primera, está referida al trabajo experimental, que tiene como objetivo justificar nuestras hipótesis principales. En segundo lugar, hemos desarrollado e implementado un modelo básico de simulación con el propósito de obtener datos IVUS en forma sintética. En tercer lugar, hemos desa-rrollado una nueva metodología general que nos permite estimar desde el punto de vista del catéter el comportamiento cinemático de la pared del vaso y finalmente hemos propuesto un modelo genérico que permite obtener la reconstrucción geométrica del vaso en 2.5D. El trabajo experimental fue hecho con corazones de cerdo y de ternera, enfocándose principalmente a estudiar la micro-arquitectura de la pared del vaso y su modificación geométrica debido a parámetros externos. Hemos analizado por separado y desde el punto de vista de imágenes IVUS, la evolución morpho-geométrica de la pared del vaso en los cortes longitudinales, debido a la presión pulsátil radial y a una rotación externa inducida al corazón de experimentación. El análisis dinámico realizado fue extrapolado a una muestra de 30 casos clínicos llevados a cabo por el Laboratorio de Hemodinámica del "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" de Badalona-España en cooperación con Boston Scientific-USA.En lo que se refiere al modelo de simulación para obtener data IVUS 2D, está basado en los principios básicos de transmisión y recepción de ondas de sonido de alta frecuencia, al penetrar éstas radialmente una estructura arterial simulada. Hemos hecho una validación extensiva, comparando imágenes simuladas y reales, contrastando con la opinión de expertos quienes han delineado manualmente la configuración real de las capas del vaso. Para este propósito, definimos procedimientos que permiten extraer parámetros cuantitativos para medir similitudes globales y locales en las imágenes obtenidas. El modelo tiene diferentes utilidades. Primero, expertos médicos, así como investigadores en el área de visión, pueden generar imágenes simuladas con el objetivo de observar diferentes estructuras arteriales de interés clínico y compararlas con la distribución de niveles de gris en imágenes reales. Segundo, investigadores y médicos pueden usar nuestro modelo para aprender y comparar la influencia de los diferentes parámetros físicos en la formación de imágenes IVUS. En tercer lugar, este modelo puede servir para generar grandes bases de datos sintéticas bajo diferentes condiciones y parámetros de adquisición, para ser usadas en la validación de la robustez de técnicas de procesamiento de imágenes.La tercera área de investigación que hemos abordado en esta tesis doctoral, ha sido el desarrollo de un modelo geométrico y cinemático, que tiene como propósito estudiar la evolución de la pared de las arterias coronarias desde el punto de vista del catéter. El modelo está basado en resultados experimentales los cuales demuestran que la evolución de la pared arterial en una secuencia de IVUS, puede ser modelada asumiendo dos contribuciones principales, que provienen de diferentes razones físicas: la primera contribución, es causada por propiedades geométricas intrínsecas de la arteria y la segunda contribución proviene de la dinámica oscilante del ventrículo. Estas contribuciones gobiernan en mayor grado la apariencia de los perfiles de la pared arterial en las vistas longitudinales. Usando estas afirmaciones, hemos generado las estrategias metodológicas con el propósito de estimar y suprimir las distorsiones dinámicas de las secuencias de IVUS.La nueva formulación conceptual nos permite separar las contribuciones geométricas que dependen de la arquitectura intrínseca de la pared del vaso de las contribuciones dinámicas procedentes del movimiento del corazón. Finalmente, y dado que esta separacion es posible, hemos generado las bases fundamentales para la reconstrucción 2.5D del vaso desde el punto de vista del catéter, solamente haciendo uso de datos de IVUS. Esta metodología también podría usarse como una técnica alternativa que permite estimar la dinámica del corazón dado que el modelo contiene en forma explícita los parámetros necesarios para cuantificarla. En este sentido, se provee en esta tesis de una nueva posibilidad que permite potenciar la técnica IVUS como herramienta de exploración y de diagnóstico médico. / Extraction of quantitative information from (IVUS) images is very helpful for the diagnosis and treatment of atherosclerotic vessels. At the moment, this kind of analysis is carried out manually by physicians without taking into account the ultrasonic signal principles of the image grey level generation and the temporal evolution of vessel wall. This fact leads to a simplified use, analysis and interpretation of IVUS images based only on the grey level values of image pixels and vessel wall static morpho-geometric behavior. In this sense, this PhD thesis has been divided in four research ways: First one, experimental work, that has as objective to justify our principal hypothesis. Second one, we developed a basic simulation model, with the purpose to obtain IVUS data in a simulated way. Third one, we developed general methodology that allows to estimate from catheter point of view the vessel wall kinematics behavior. Finally we proposed a generic model to obtain 2.5D IVUS vessel reconstruction. The experimental work was done using pig and calf healthy heart and was focused on the vessel wall micro-architecture analysis studying its temporal evolution when external parameters were varying. We have analyzed separately from IVUS images point of view (using longitudinal cuts), the vessel wall morpho- geometric evolution, due to radial pulsatile pressure and an induced external rotation done to the experimentation heart. The dynamical analysis that was done was extrapolated to a study sample of 30 clinical cases studied by "Hospital Universitari Germans Tries i Pujol" of Badalona Spain in cooperation with Boston Scientific USA.In the second research way, we developed an IVUS simulation model to obtain 2D IVUS data based on the basic transmission and reception properties of high frequency sound waves, when these radially penetrate a simulated arterial structure. We discuss an extensive validation, comparing simulated and real images, and contrasting the expert opinion respect to the manually delineation of real vessel layers, to test its usability. To this purpose, we define procedures to extract quantitative parameters that permit to measure the global and local similarity of the images obtained. The model has different utilities: Firstly, medical expert and computer vision researchers can generate simulated IVUS images in order to observe different arterial structures of clinical interest and their grey level distribution in real images. Secondly, researchers and doctors can use our model to learn and to compare the influence of different physical parameters in the IVUS image formation. Third, this model can generate large database of synthetic data under different device and acquisition parameters to be used to validate the robustness of image processing techniques.In the third research line, we develop a geometric and kinematic model in order to study the evolution of coronary artery wall from catheter point of view. The model is based on experimental results which demonstrate that the evolution of the arterial wall, can be modelled assuming two principal contributions that come from different physical reasons. The first one, a systematic contribution caused by geometric intrinsic arterial properties and the second one, an oscillating contribution that comes from ventricle dynamics. These contributions govern in major degree the profiles appearance of arterial wall in longitudinal views. Using these assumption we generate the methodological strategies in order to estimate and suppress IVUS dynamical distortions. The new conceptual formulation allows to separate geometric contribution that depends on intrinsical vessel wall micro-architecture from dynamical contribution that comes from heart movement. Finally, being possible this separation, we generated the fundamental basis to $2.5D$ vessel reconstruction from catheter point of view, only using IVUS data. This methodology can be used as alternative technique to evaluate the dynamic of the heart, due to the fact that model dependence has explicitly the parameters to be estimated. In this way, we provide in this PhD thesis a new possibility that allows to give new potential to the IVUS technique as an exploratory and medical diagnostic tools.

La presencia simultánea de múltiples fluidos con diferentes propiedades ocurre en numerosos problemas medioambientales, procesos industriales y situaciones de la vida diaria. Algunos ejemplos son la interacción fluido-combustible en la extracción mejorada de petróleo, mezcla de polímeros, emulsiones en productos alimentarios, formación de gotas de lluvia en nubes, inyección en motores de combustión o reactores de columna de burbujas. A pesar de que los flujos de multi-fluidos son muy frecuentes, todavía suponen un reto tanto desde el punto de vista teórico como computacional. En el caso de fluidos inmiscibles, la dinámica de la interfase entre fluidos juega un papel determinante. El éxito en la simulación de estos flujos dependerá de la capacidad del método numérico de modelar con precisión la interfase y los fenómenos que tienen lugar en ella. En este trabajo nos hemos centrado en entender la principios físicos básicos de los multi-fluidos y las dificultades que aparecen en su simulación numérica. Hemos extendido el Particle Finite Element Method (PFEM) a problemas de varios fluidos diferentes con el objetivo de explotar el hecho de que los métodos lagrangianos son especialmente adecuados para el seguimiento de todo tipo de interfases. Hemos desarrollado un esquema numérico capaz de tratar grandes saltos en las propiedades físicas (densidad y viscosidad), de incluir la tensión superficial y de representar las discontinuidades de las variables del flujo. El esquema se basa en desacoplar las variables de posición de los nodos, velocidad y presión a través de la linearización de Picard y un método de segregación de la presión que tiene en cuenta las condiciones de interfase. La interfase se ha definido alineada con la malla móvil, de forma que se mantiene el salto de propiedades físicas sin suavizar a lo largo del tiempo. Además, los grados de libertad de la presión han sido duplicados en los nodos de interfase para representar la discontinuidad de esta variable debido a la tensión superficial y a la viscosidad variable, y la malla ha sido refinada cerca de la interfase para mejorar la precisión de la simulación. Hemos aplicado el esquema resultante a diversos problemas académicos y geológicos, como el sloshingde dos fluidos, extrusión de fluidos viscosos, ascensión y rotura de una burbuja dentro de una columna de líquido, mezcla de magmas y fuentes invertidas (negatively buoyant jet). / The simultaneous presence of multiple fluids with different properties in external or internal flows is found in daily life, environmental problems, and numerous industrial processes, among many other practical situations. Examples arefluid-fuel interaction in enhanced oil recovery, blending of polymers, emulsions in food manufacturing, rain droplet formation in clouds, fuel injection in engines, and bubble column reactors, to name only a few. Although multi-fluid flows occur frequently in nature and engineering practice, they still pose a major research challenge from both theoretical and computational points of view. In the case of immiscible fluids, the dynamics of the interface between fluids plays a dominant role. The success of the simulation of such flows will depend on the ability of the numerical method to model accurately the interface and the phenomena taking place on it. In this work we have focused on understanding the basic physical principles of multi-fluid flows and the difficulties that arise in their numerical simulation. We have extended the Particle Finite Element Method to problems involving several different fluids with the aim of exploiting the fact that Lagrangian methods are specially well suited for tracking any kind of interfaces. We have developed a numerical scheme able to deal with large jumps in the physical properties, included surface tension, and able to accurately represent all types of discontinuities in the flow variables at the interface. The scheme is based on decoupling the nodes position, velocity and pressure variables through the Picard linearization and a pressure segregation method which takes into account the interface conditions. Theinterface has been defined to be aligned with the moving mesh, so that it remains sharp along time. Furthermore, pressure degrees of freedom have been duplicated at the interface nodes to represent the discontinuity of this variable due to surface tension and variable viscosity, and the mesh has been refined in the vicinity of the interface to improve the accuracy of the computations. We have applied the resulting scheme to several academic and geological problems, such as the two-fluid sloshing, extrusion of viscous fluids, bubble rise and break up, mixing of magmatic liquids and negatively buoyant jets.

Metal cutting or machining is a process in which a thin layer or metal, the chip, is removed by a wedge-shaped tool from a large body. Cutting is a complex physical phenomena in which friction, adiabatic shear bands, excessive heating, large strains and high rate strains are present. Tool geometry, rake angle and cutting speed play an important role in chip morphology, cutting forces, energy consumption and tool wear. The main objective of this work is precisely to contribute to solve some of the problems described above through the extension of the Particle Finite Element Method (PFEM) to thermo-mechanical problems in solid mechanics which involve large strains and rotations, multiple contacts and generation of new surfaces, with the main focus in the numerical simulation of metal cutting process. The new ingredients of PFEM are focused on the insertion and remotion of particles, the use of constrained Delaunay triangulation and a novel transfer operator of the internal variables. The thermo-mechanical problem, formulated in the framework of continuum mechanics, is integrated using an isothermal split in conjunction with implicit, semi-explicit and IMPLEX schemes. The tool has been discretized using a standard three-node triangle finite element. The workpiece has been discretized using a mixed displacement-pressure finite element to deal with the incompressibility constraint imposed by plasticity. The mixed finite element has been stabilized using the Polynomial Pressure Projection (PPP), initially applied in the literature to the Stokes equation in the field of fluid mechanics. The behavior of the tool is described using a Neo-Hookean Hyperelastic constitutive model. The behavior of the workpiece is described using a rate dependent, isotropic, finite strain j2 elastoplasticity with three different yields functions used to describe the strain hardening, the strain rate hardening and the thermal softening (Simo, Johnson Cook, Baker) of different materials under a wide variety of cutting conditions. The friction at the tool chip interface is modeled using the Norton-Hoff friction law. The heat transfer at the tool chip interface includes heat transfer due to conduction and friction. To validate the proposed mixed displacement-pressure formulation, we present three benchmark problems which validate the approach, namely, plain strain Cook ¿s membrane, the Taylor impact test and a thermo-mechanical traction test. The isothermal-IMPLEX split presented in this work has been validated using a thermo-mechanical traction test. Besides, in order to explore the possibilities of the numerical model as a tool for assisting in the design and analysis of metal cutting processes a set of representative numerical simulations are presented in this work, among them: cutting using a rate independent yield function, cutting using different rake angles, cutting with a deformable tool and a frictionless approach, cutting with a deformable tool including friction and heat transfer, the transition from continuous to serrated chip formation increasing the cutting speed. Our simulations demonstrate the ability of the PFEM to predict chip morphologies consistent with experimental observations. Also, our results show that the suitable selection of the global time integration scheme may involve savings in computation time up to 9 times. Furthermore, this work present a sensibility analysis to cutting conditions by means of a Design of Experiments (DoE). The Design of Experiments carried out with PFEM has been compared with DoE carried out with AdvantaEdge, Deform, Abaqus and Experiments. The results obtained with PFEM and other numerical simulations are very similar, while, a comparison of numerical simulations and experiments show some differences in the output variables that depend on the friction phenomena. The results suggest that is necessary to improve the modelization of the friction at the tool-chip interface. / El mecanizado de metal es un proceso en el que una capa delgada de metal se retira por una herramienta en forma de cuña de un cuerpo grande. El corte es un complejo de fenómenos físicos en los que la fricción, bandas de cizalla adiabáticas, calentamiento excesivo, grandes deformaciones y de alta velocidad de las herramientas están presentes. La geometría de la herramienta, ángulo de ataque y la velocidad de corte juegan un papel importante en la morfología de la viruta, las fuerzas, el consumo de energía y desgaste de la herramienta de corte. El objetivo principal del trabajo es contribuir precisamente a resolver algunos de los problemas descritos anteriormente a travésde la extensión del PFEM a los problemas termo-mecánicos en mecánica de sólidos que implican grandes deformaciones y rotaciones, múltiples contactos y generación de nuevas superficies, con el foco principal en la simulación numérica de procesos de corte de metal. El problema termomecánico, formulado en el marco de la mecánica de medios continuos, se integra usando un esquema isotérmico junto con esquemas implícitos, semi-explícito y Implex. La herramienta ha sido discretizado utilizando un elemento finito triangular de tres nodos estándar. La pieza se discretizado utilizando un elemento finito desplazamiento presión mixta para hacer frente a la condición de incompresibilidad impuesto por la plasticidad. El elemento finito mixto se ha estabilizado mediantela proyección polinómica Presión, aplicado inicialmente en la literatura para la ecuación de Stokes. El comportamiento de la herramienta se describe usando un modelo constitutivo hiperelástico Neo Hookean. El comportamiento de la pieza de trabajo se describe usando un modelo isotrópico, con elastoplasticidad j2 y con tres funciones diferentes que se utilizan para describir el endurecimiento por deformación, endurecimiento de la velocidad de deformación y el ablandamiento térmico de diferentes materiales bajo una amplia variedad de condiciones de corte. La fricción en la interfaz de la herramienta-viruta se modela utilizando la fricción ley Norton-Hoff . La transferencia de calor en la interfase herramienta-viruta incluye la transferencia de calor por conducción y por fricción. Para validar la formulación desplazamiento presión mixto propuesto, se presentan tres problemas de referencia (la membrana de la tensión normal de Cook, la prueba de impacto Taylor y una prueba de tracción termomecánica ). La división isotérmica -IMPLEX presentada en este trabajo ha sido validado mediante un ensayo de tracción termomecánica. Además, con el fin de explorar las posibilidades del modelo como una herramienta para ayudar en el análisis de los procesos decorte de metal, un conjunto de simulaciones se presentan en este trabajo, entre ellas : corte de una material con tensión defluencia independiente de la tasa de deformación, cortando utilizando diferentes ángulos de ataque, corte con herramientas decorte deformables incluyendo la fricción y la transferencia de calor, la transición de la continua para la formación de virutadentada aumento de la velocidad de corte. Además, nuestros resultados muestran que la selección adecuada del esquema global de integración de tiempo puede suponer un ahorro en el tiempo de cálculo hasta 9 veces. Por otra parte, este trabajo presenta un análisis de sensibilidad a las condiciones de corte mediante un diseño de experimentos (DOE). El diseño de experimentos con el llevado a cabo PFEM ha sido comparada con la llevada a cabo con el DoEAdvantaEdge, deforme, Abaqus y experimentos. Los resultados obtenidos con PFEM y otras simulaciones numéricas son muy similares, mientras que, en comparación de las simulaciones numéricas y experimentos muestran algunas diferencias en las variables de salida que dependen de los fenómenos de fricción. Los resultados sugieren que es necesario mejorar la modelización de la fricción en la interfaz de la herramienta-viruta.

The aim of this work is to present a new procedure for modelling industrial processes that involve granular material flows, using a numerical model based on the Particle Finite Element Method (PFEM). The numerical results herein presented show the potential of this methodology when applied to different branches of industry. Due to the phenomenological richness exhibited by granular materials, the present work will exclusively focus on the modelling of cohesionless dense granular flows. The numerical model is based on a continuum approach in the framework of large-deformation plasticity theory. For the constitutive model, the yield function is defined in the stress space by a Drucker-Prager yield surface characterized by two constitutive parameters, the cohesion and the internal friction coefficient, and equipped with a non-associative deviatoric flow rule. This plastic flow condition is considered nearly incompressible, so the proposal is integrated in a mixed formulation with a stabilization of the pressure term via the Polynomial Pressure Projection (PPP). In order to characterize the non-linear dependency on the shear rate when flowing a visco-plastic regularization is proposed. The numerical integration is developed within the Impl-Ex technique, which increases the robustness and reduces the iteration number, compared with a typical implicit integration scheme. The spatial discretization is addressed within the framework of the PFEM which allows treating the large deformations and motions associated to granular flows with minimal distortion of the involved finite element meshes. Since the Delaunay triangulation and the reconnection process minimize such distortion but does not ensure its elimination, a dynamic particle discretization of the domain is proposed, regularizing, in this manner, the smoothness and particle density of the mesh. Likewise, it is proposed a method that ensures conservation of material or Lagrangian surfaces by means of a boundary constraint, avoiding in this way, the geometric definition of the boundary through the classic a-shape method. For modelling the interaction between the confinement boundaries and granular material, it is advocated for a method, based on the Contact Domain Method (CDM) that allows coupling of both domains in terms of an intermediate region connecting the potential contact surfaces by a domain of the same dimension than the contacting bodies. The constitutive model for the contact domain is posed similarly to that for the granular material, defining a correct representation of the wall friction angle. In order to validate the numerical model, a comparison between experimental results of the spreading of a granular mass on a horizontal plane tests, and finite element predictions, is carried out. These sets of examples allow us validating the model according to the prediction of the different kinematics conditions of granular materials while spreading ¿ from a stagnant condition, while the material is at rest, to a transition to a granular flow, and back to a deposit profile. The potential of the numerical method for the solution and optimization of industrial granular flows problems is achieved by focusing on two specific industrial applications in mining industry and pellet manufacturing: the silo discharge and the calculation of the power draw in tumbling mills. Both examples are representative when dealing with granular flows due to the presence of variations on the granular material mechanical response. / El objetivo principal de este trabajo es presentar una nueva metodología para la simulación de procesos industriales que involucren flujos de materiales granulares, mediante un modelo numérico basado en el Método de Elementos Finitos de Partículas (PFEM, por sus siglas en inglés). Los resultados numéricos que se presentan en este documento, muestran el potencial de aplicar esta metodología a diferentes ramas de la industria. Debido a la riqueza fenomenológica exhibida por los materiales granulares, el presente trabajo se centrará exclusivamente en la simulación de flujos granulares densos sin cohesión. El modelo numérico se basa en un enfoque del medio continuo, en el marco teórico de plasticidad en grandes deformaciones. Para el modelo constitutivo, la función de fluencia se define en el espacio de tensiones mediante una superficie de fluencia del tipo Drucker-Prager caracterizada por dos parámetros constitutivos, la cohesión y el coeficiente de fricción interna, y equipado con una regla de flujo desviadora no asociada. Esta condición de flujo plástico se considera incompresible, por lo que se propone su integración mediante una formulación mixta del tipo u- p y estabilizando la expresión de la presión a través de una proyección polinomial (Polynomial Pressure Projection, PPP). A su vez, se propone una regularización visco-plástica con el fin de caracterizar la no linealidad de la velocidad de cizallamiento del material cuando fluye. La integración numérica se desarrolla en el marco de la técnica Impl-Ex, aumentando la robustez y reduciendo el número de iteraciones, en comparación con un esquema típico de integración implícito. La discretización espacial se aborda en el marco del PFEM, permitiendo el manejo de grandes deformaciones y del movimiento asociado a los flujos granulares con una distorsión mínima de las mallas de elementos finitos. La triangulación de Delaunay y el proceso de reconexión minimizan tales distorsiones pero no aseguran su eliminación; por esto, se propone una discretización en partículas del dominio dinámica y constante, regularizando de esta manera, la suavidad y la densidad de las partículas en la malla. Asimismo, se propone un método para asegura la conservación de las superficies materiales o Lagrangeanas por medio de una restricción de la frontera, evitando de esta manera, su definición geométrica a través del método clásico alpha-shape. Para el modelado de la interacción entre el material granular y las superficies de su confinamiento, se apuesta por un método basado en el Contact Domain Method (CDM) que permite el acoplamiento de ambos dominios en términos de una región intermedia que conecta las superficies potenciales de contacto – siendo este dominio de la misma dimensión que los cuerpos en contacto. El modelo constitutivo a emplear para el dominio de contacto se plantea de manera similar al del material granular, definiendo una correcta representación del ángulo de pared. Con el fin de validar el modelo numérico, se llevó a cabo una comparación entre los resultados experimentales de la difusión o desmoronamiento de una masa granular en un plano horizontal y las predicciones obtenidas mediante la simulación por medio de elementos finitos. Este conjunto de ejemplos nos permite validar el modelo de acuerdo a la predicción de las diferentes condiciones de la cinemática de los materiales granulares: desde una condición de confinamiento, con el material en reposo, a una transición hacia el flujo granular y de nuevo, a un estancamiento del material hasta definir su depósito final. El potencial del método numérico, para la solución y optimización de los problemas industriales que involucran flujos granulares, se logra enfocándose en dos aplicaciones industriales específicas en la industria minera y la fabricación de pellets: la descarga de un silo y el cálculo del consumo de energía en molinos rotacionales (tumbling mills). Ambos ejemplos son representativos en cuanto a los flujos granulares en la industria debido a la presencia de variaciones en la respuesta mecánica del material granular.