Se proponen nuevos elementos finitos para problemas en mecánica de sólidos en el marco de una formulación estabilizada novedosa en este ámbito. Esta formulación se basa en el método de las sub-escalas, y particularmente en el concepto de sub-escalas ortogonales OSGS (orthogonal sub-grid scales method) .Los elementos propuestos son elementos triangulares y tetraédricos para aplicaciones generales en deformaciones infinitesimales y en grandes deformaciones, tienen interpolaciones de desplazamientos y presión lineales y continuas, son aptos para aplicaciones generales y están exentos de problemas de bloqueo y de inestabilidad en aplicaciones cercanas al límite de incompresibilidad en mecánica de sólidos, tanto en elasticidad como en plasticidad J2.El método de estabilización desarrollado modifica la formulación mixta del problema de incompresibilidad, de manera que se logran eludir las restricciones que la condición de Babuska-Brezzi establece sobre las interpolaciones para garantizar comportamiento estable. Como se sabe, de acuerdo a ésta quedan descartados los elementos de la formulación mixta estándar con interpolaciones del mismo orden.La idea fundamental es concebir la solución exacta como compuesta por dos partes, una parte resoluble más otra parte que no es captada por la aproximación de elementos finitos, ésta es una componente de la solución en la denominada la sub-escala. La clave es buscar esta componente, complementaria a la parte resoluble, en el espacio ortogonal al espacio de elementos finitos. De acuerdo con esto, la componente en la sub-escala se puede considerar como función de la proyección del residuo sobre el espacio ortogonal al espacio de elementos finitos. Una expresión numéricamente calculable de esta proyección se obtiene si se considera en forma débil la diferencia entre el residuo y su proyección sobre el espacio de elementos finitos. La mejora de la solución se logra al quedar representado el efecto de la sub-escala mediante un término adicional o de estabilización en la ecuación del sistema.Los elementos propuestos son consistentes, tienen comportamiento estable y flexibilidad mejorada con respecto a elementos mixtos comparables tales como el Q1/P0 y otros elementos estabilizados por métodos, tales como el GLS. Se propone en el trabajo una aproximación al cálculo del parámetro de estabilización en problemas de elasto-plasticidad. La implementación de la formulación es particularmente apropiada para problemas no-lineales, tanto desde el punto de vista del material como del geométrico.

The aim of this thesis is to modify flax pulp fibres (Linum usitatissimum) by more friendly environmental processes. Pulp and paper research is focussing through enzyme systems investigation for developing green chemistry technologies due to existing environmental concerns and to legal restrictions. Moreover, it exists also an increasing strategic interest in using flax fibres to obtain high-quality specialty papers. That is why we study the application of biotechnology as an efficient alternative to traditional industrial processes based on the use of chemical agents. This work is framed by two of the main research topics of the Paper and Graphic Specialty Laboratory in the Textile and Paper Engineering Department of the Universitat Politècnica de Catalunya. One research line is based on pulp bleaching and is focused basically on the study of enzymatic systems as biobleaching agents; the other research topic that has been recently introduced in our investigation group is the use of enzymes as functionalisation agents by promoting the grafting of several compounds. Laccase is the main enzyme used in this thesis; it is an oxidoreductase that can assist reactions in an eco-friendly way since laccase uses air and produces water as the only by-product. Moreover, laccase can work under mill conditions and has wide application potential. The first part of this thesis involved the use of enzymes to bleach flax pulp. The aim was to explore the potential of various natural mediators (lignin-derived compounds) for delignifying flax fibres in order to identify the most efficient and ecofriendly choice among them. Afterwards, we assessed the use of various enzyme delignification stages in an industrial bleaching sequence. The ensuing totally chlorine free (TCF) sequence comprised various laccase-mediator system treatments (L stage) followed by a by a chelating stage (Q stage) and a subsequent bleaching step with hydrogen peroxide (Po stage). A xylanase pretreatment was additionally carried out. Laccases used came from the fungi Pycnoporus cinnabarinus and Myceliophthora thermophila; the performance of several natural mediators was compared with the obtained with the application of various synthetic mediators. In addition, the lack of studies on the properties of effluents from the treatment of non-wood pulp with laccase and natural mediators led A-1 A-2 us to examine effluent properties upon biotreatments and after different bleaching stages. The results obtained warrant upscaling any of the biobleaching sequences for flax pulp as they provide sustainable flax fibre with a high cellulose content and brightness above 80% ISO. The use of xylanase pretreatment was found to efficiently remove HexA and enhance delignification by laccase.

Aquesta tesi doctoral proposa formulacions de Galerkin Discontinu (DG) d’alt ordre per la captura de shocks, obtenint alhora solucions altament precises per problemes de flux compressible. En les últimes dècades, la investigació en els mètodes de DG ha estat en constant creixement. L'èxit dels mètodes DG en problemes hiperbòlics ha conduit el seu desenvolupament en lleis de conservació no lineals i problemes de convecció dominant. Entre els avantatges dels mètodes DG, destaquen la seva estabilitat inherent i les propietats locals de conservació. D'altra banda, els mètodes DG estan especialment dissenyats per l’ús aproximacions d'ordre superior. De fet, en els últims anys s'ha demostrat que la resolució de problemes de convecció dominant ja no es restringeix només a elements d'ordre inferior. De fet, es necessiten models numèrics d'alta precisió per aconseguir prediccions altament fiables dins la dinàmica de fluids computacional (CFD). En aquest context es presenten i discuteixen dos tècniques de captura de shocks. En primer lloc, es presenta una tècnica novedosa i senzilla basada en la introducció d'una nova base de funcions de forma. Aquesta base té la capacitat de canviar a nivell local entre una interpolació contínua o discontínua, depenent de la suavitat de la funció que es vol aproximar. En presència de xocs, les discontinuïtats introduïdes dins l’element permeten incloure l'estabilització necessària gràcies a l’ús dels fluxos numèrics, i alhora exploten les propietats intrínsiques del mètodes DG. En conseqüència, es poden utilitzar malles grolleres amb elements d’ordre superior. Amb aquestes discretitzacions i, utilitzant el mètode proposats, els xocs queden continguts a l’interior de l’element i per tant, és possible evitar l’ús de tècniques de refinament adaptatiu de la malla, alhora que es manté la localitat i compacitat dels esquemes DG. En segon lloc, es proposa una tècnica clàssica i, aparentment simple: la introducció de la viscositat artificial. Primerament es realitza un estudi detallat per al cas unidimensional. S’obté una viscositat d’alta precisió que escala segons el valor hk amb 1 ≤ k ≤ p i essent h la mida de l’element. En conseqüència, s’obté un xoc amb amplitud del mateix ordre. Seguidament, l'estudi de la viscositat unidimensional obtenida s'extén al cas multidimensional per a malles triangulars. L'extensió es basa en la projecció de la viscositat unidimensional en unes determinades direccions espacials dins l’element. Es demostra de manera consistent que la viscositat introduïda és, com a molt, del mateix ordre que la resolució donada per la discretització espacial, és a dir, h/p. El mètode és especialment eficient per aproximacions de Galerkin discontinu d’alt ordre, per exemple p≥ 3. Les dues metodologies es validen mitjançant una àmplia selecció d’exemples numèrics. En alguns exemples, els mètodes proposats permeten una reducció en el nombre de graus de llibertat necessaris per capturar xocs acuradament de fins i tot un ordre de magnitud, en comparació amb mètodes estàndar de refinament adaptatiu amb aproximacions de baix ordre. / This thesis proposes shock-capturing methods for high-order Discontinuous Galerkin (DG) formulations providing highly accurate solutions for compressible flows. In the last decades, research in DG methods has been very active. The success of DG in hyperbolic problems has driven many studies for nonlinear conservation laws and convection-dominated problems. Among all the advantages of DG, their inherent stability and local conservation properties are relevant. Moreover, DG methods are naturally suited for high-order approximations. Actually, in recent years it has been shown that convection-dominated problems are no longer restricted to low-order elements. In fact, highly accurate numerical models for High-Fidelity predictions in CFD are necessary. Under this rationale, two shock-capturing techniques are presented and discussed. First, a novel and simple technique based on on the introduction of a new basis of shape functions is presented. It has the ability to change locally between a continuous or discontinuous interpolation depending on the smoothness of the approximated function. In the presence of shocks, the new discontinuities inside an element introduce the required stabilization thanks to the numerical fluxes, thus exploiting DG inherent properties. Large high-order elements can therefore be used and shocks are captured within a single element, avoiding adaptive mesh refinement and preserving the locality and compactness of the DG scheme. Second, a classical and, apparently simple, technique is advocated: the introduction of artificial viscosity. First, a one-dimensional study is perfomed. Viscosity of the order O(hk) with 1≤ k≤ p is obtained, hence inducing a shock width of the same order. Second, the study extends the accurate one-dimensional viscosity to triangular multidimensional meshes. The extension is based on the projection of the one-dimensional viscosity into some characteristic spatial directions within the elements. It is consistently shown that the introduced viscosity scales, at most, withthe DG resolutions length scales, h/p. The method is especially reliable for highorder DG approximations, say p≥3. A wide range of different numerical tests validate both methodologies. In some examples the proposed methods allow to reduce by an order of magnitude the number of degrees of freedom necessary to accurately capture the shocks, compared to standard low order h-adaptive approaches.

Hydraulic machines are faced with increasingly severe performance requirements. The need to design smaller and more powerful machines rotating at higher speeds in order to provide increasing efficiencies, has to face a major limitation: cavitation. A two-dimensional numerical approach, by means of Computational Fluid Dynamics (CFD), has been developed for studying the effect of cavitation in the volumetric efficiency of external gear pumps. Several cavitation models and grid deformation algorithms have been studied, and a method for simulating the contact between solid boundaries has been developed. The velocity field in the inlet chamber has also been experimentally measured by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry (TRPIV) and results have been compared to the numerical ones in order to validate the accuracy of the model. Our two-dimensional model is not able to predict the real volumetric efficiency of the pump, since several simplifications are involved in it. Nevertheless, this model shows to be valid to understand the complex flow patterns that take place inside the pump and to study the influence of cavitation on volumetric efficiency. The influence of the rotational speed of the pump has been analyzed, as well as the effect of the geometry of the inlet chamber, the working pressure, the inlet pressure loss factor, and the flow leakage through the radial clearances of the pump between gears and casing.

En un contexto de I+D+i (investigación + desarrollo + innovación), diversos estudios apuntan a la existencia de una fuerte relación entre comunicación y resultados, mostrando que la colaboración y compartición de conocimiento afecta significativamente la producción de conocimiento e innovación. Varios autores defienden la importancia de las redes sociales informales en la coordinación de tareas y en la distribución y reutilización de conocimiento en las organizaciones. En los últimos años, se han propuesto e implementado diversas estrategias que intentan facilitar y promover el trabajo colaborativo y varios investigadores han defendido la necesidad de atender y estudiar más profundamente el rol de las redes sociales existentes.El trabajo de investigación que aquí se presenta tiene como finalidad el estudio de las redes sociales en comunidades de I+D+i. Para ello, se desarrolló un sistema de monitoreo que permite registrar, analizar y visualizar las relaciones inter-personales que existen. Por un lado, se acredita que el feedback proporcionado por la visualización de estas redes permite a cada persona revisar y anotar en qué medida contribuye con aportaciones y en qué medida aprovecha dicho flujo de conocimiento, aumentando el nivel de conciencia sobre los otros y motivando la compartición de conocimiento. Por otro lado, la información recogida permite un análisis e interpretación del funcionamiento de estas redes, apoyando la gestión de conocimiento en estas comunidades.La presentación de la investigación se ha organizado en cinco capítulos.En el primero capítulo se presenta la motivación, se definen los objetivos y se expone el proceso de trabajo que se ha seguido.En el segundo capítulo se presenta un resume de un estudio teórico en las áreas del conocimiento en las organizaciones y de las técnicas de análisis y soporte de redes sociales, que constituye el marco teórico de referencia para la investigación.En el tercero y cuarto capítulos se describe el diseño, desarrollo e implementaciones del sistema de monitorización de redes sociales. Se evalúa el sistema y los efectos de su implementación en los usuarios y se hace un análisis de la estructura y características de las redes sociales monitorizadas. Además de este análisis exploratorio de la red, se analiza la relación entre el capital social, entendido como el conjunto de beneficios que resultan de las redes sociales de un sujeto u organización, y el desempeño de los sujetos.En el capítulo quinto se finaliza la memoria de la investigación con una síntesis de las conclusiones a las que ha permitido llegar la investigación, así como las líneas de continuidad de la misma. / The notion that knowledge is a strategic resource that gives organizations a competitive edge has prompted many organizations to institute practices geared towards improving the efficiency and effectiveness of knowledge creation and its utilization. In R&D (Research & Development) communities, communication and knowledge sharing have a strong influence on innovation and knowledge production. Several authors point out that knowledge is created and exchanged to a large extent through informal social interactions and that knowledge flows depend on the connections between individuals and on their attitude about sharing knowledge. In recent years, it has been proposed a number of strategies to promote collaborative work and it has been acknowledged the need for more deep studies in the role of social networks.The aim of this work is the study of social networks in R&D communities. For that, we have developed a monitoring system that allows the gather, analysis and visualization of human interactions in these communities. This system addresses simultaneously: a) the promotion of social network awareness, point out as a motivation factor to communicate and collaborate; and b) support knowledge management, by gathering information about social networks and allowing the interpretation of the role of this networks.This thesis is structure in five chapters.The first chapter sets the motivation and context of the thesis, the objectives and the study design.The second chapter presents the conceptual framework of this work, a review in knowledge sharing in organizations, social networks analysis tools and techniques, and social capital empirical studies.The third and fourth chapters describe the design, development and implementation of the social network monitoring system. The evaluation of the system and its effects in user's awareness and behaviour is presented. The social network data collected is explored and the correlation between network characteristics and performance is analysed.The fifth and final chapter summarizes the findings of the study and concludes with future directions for research arising from the study.

Un dels aspectes dels fluxos turbulents que s'ha tractat amb més interès en els últims anys, és l'estudi de l'existència de moviments de gran escala, repetitius i que presenten una certa organització. Aquests moviments són el que s'ha anomenat estructura coherent. El present treball intenta aportar una visió més complerta de les estructures coherents en l'estela llunyana turbulenta generada per un cilindre escalfat per una resistència interna. Amb aquesta finalitat s'han realitzat una sèrie d'experiments, emprant tècniques d'anemometria de fil calent, en el túnel aerodinàmic de baixa turbulència de l'E.T.S. d'Enginyeria Química. Aquests experiments han proporcionat dades de temperatura i dels tres components de la velocitat en l'estela llunyana turbulenta (x/D=150). Aquestes dades s'han analitzat emprant un mètode de reconeixement de formes condicional que empra les fluctuacions de temperatura com a marcador del pas de les estructures coherents. El primer resultat de les anàlisis realitzades ha estat la confirmació de que l'estructura predominant en el pla horitzontal (homogeni) de l'estela és una circulació doble amb fluctuacions negatives del component longitudinal de la velocitat en el centre. De fet aquesta estructura és la que va predir Grant (1958) i en la que s'han recolzat multitud d'estudis posteriors (Mumford, 1983; Ferré, 1986). Per altra banda, amb l'aplicació del mètode de reconeixement de formes condicional, s'ha obtingut una visió tridimensional del camp dinàmic de l'estructura relacionant-lo amb el camp tèrmic, el de vorticitat i el de la velocitat de deformació. Un resultat interessant de les anàlisis anteriors és la relació existent entre el camp tèrmic i el camp dinàmic de l'estructura. Aquesta relació es pot resumir dient que existeix una correlació negativa entre el component longitudinal de les fluctuacions de la velocitat, u, i les fluctuacions de temperatura, θ. Es a dir, a u negatives li corresponen θ positives. En canvi existeix una correlació positiva entre el component lateral de la velocitat, v, i les fluctuacions de la temperatura. Un segon grup de resultats, obtinguts de les anàlisis realitzades, són els que fan referència al contingut energètic de l'estructura i a l'intercanvi d'energia entre les diferents escales de la turbulència. En primer lloc s'ha analitzat el contingut energètic de les finestres de dades seleccionades per obtenir la mitjana de conjunt de l'estructura, observant-se que encara que representen el 40% de les dades totals, aquestes sumen més del 60% de l'energia associada, el que implica que les finestres seleccionades són més important energèticament que la resta.També s'ha obtingut la distribució dels diferents termes de la producció, que informen de l'intercanvi d'energia entre les diferents escales de la turbulència, es a dir entre el camp mitjà, el camp coherent i el camp incoherent. També es mostren les distribucions de la dissipació i de la funció indicadora d'escala fina (FSTIF). Amb aquest resultats, s'ha pogut analitzar com i quan l'estructura guanya i/o perd energia.Per últim s'ha realitzat un esquema tridimensional de l'estructura, relacionant-la amb els processos d' engoliment i amb el flux que l'envolta. / One of the topics emphasized in the study of turbulent flows in the last few years has been the identification of large scale organized motions called coherent structures. The present work extends the knowledge of the coherent structures in free turbulence by examining the far wake (x/D=150) of a heated cylinder at a Reynolds number of 9700. Multi-probe experiments carried out using hot- and cold-wire anemometry in a low turbulence wind tunnel, measuring temperature and the three velocity components simultaneously in time. The data were analyzed using a conditional pattern recognition technique. Basically, events in the temperature field were used to identify the velocity patterns of the coherent structures. Specifically, the pattern recognition software searched for hot-to-cold transitions in the temperature field. In the horizontal planes, the typical footprint identified with the temperature transitions was a double roller eddy with negative streamwise fluctuations in its centre plane. This eddy is similar to that identified by Grant (1958) with correlation measurements and is the origin for a large number of later investigations (Munford, 1983; Ferré, 1986). The present work shows that, in fact, this double roller structure is part of a larger structure which is shaped like a horseshoe.The use of the conditional pattern recognition technique allows one to obtain the three-dimensional velocity field that characterizes the coherent structure, and its relationship to the temperature field. It was found that the correlation between the temperature fluctuations and the streamwise velocity fluctuations is negative, while the correlation between the same temperature fluctuations and the lateral velocity fluctuations is positive. In addition, it was observed that the individual horseshoe structures occupy at least 40% of the flow and that these structures contain 60% of the turbulent kinetic energy. Thus, the parts of the flow selected by the technique are more energetic that the mean. As well, the role of the coherent structures in the exchange of energy between different turbulent scales, the mean, the coherent field and the incoherent field has been identified. The distributions of the fine scale turbulence and the dissipation were also investigated relative to the horseshoe structure. These results provide information about where and when the structure gains and loses energy. It was found that the majority of the production and dissipation of fine-scale turbulence occur in the central portion of the three-dimensional horseshoe structure.

Dynamic mechanical analysis (DMA) is often used to explore the relaxation dynamics of metallic glasses (MGs). Secondary relaxations in metallic glasses appear as an excess wing, as a shoulder of the primary relaxation peak or as a differentiated low temperature peak on the loss modulus E''(T). In order to differentiate this relaxation from a-relaxation, which is due to collective movement and directly related to the elastic (solid glass) to viscous (supercooled liquid) transition, it is termed as ß-relaxation. Its origin and main characteristics are still not clear and the understanding of the ß-process is still developing. Early results based on DMA suggested that it is the result of anelastic events, as the system is in a metastable state. It might be originated from diffusion processes, resembling Zener or Snoek relaxation in crystalline materials. In the energy landscape picture it is attributed to jumps between close energy minima separated by a low energy barrier. It is also treated as a process related to the activation of shear transformation zones (STZ) or flow units. In this thesis, the mechanical relaxation of MG is explored by quasi-static measurements like creep and stress relaxation, and by DMA. The current theoretical models and experimental data available in literature are revised and discussed. Following, three different MG systems, namely, Cu46Zr46Al8, Pd42.5Ni7.5Cu30P20 and Fe55Cr10Mo14C15B6 are analyzed and it is clarified that the different sub-Tg relaxations manifested on the DMA behavior have different origins. Finally, we discuss the implications of the relaxation dynamics characterization presented in this work on the mechanical properties of these materials. The understanding of the relaxation behavior and some related phenomena like physical aging, mechanical deformation and internal damping is seen as fundamental to improve our knowledge of MGs, this leading to new alloys with improved mechanical performance. / L’anàlisi dinamo-mecànica (DMA) s'utilitza freqüentment per explorar la dinàmica de relaxació dels vidres metàl·lics (MGs). Les relaxacions secundàries (ß) en vidres metàl·lics apareixen com un pic al mòdul de pèrdues. Depenent de la seva intensitat, aquest pic està clarament diferenciat o apareix com una inflexió en el pic principal de relaxació primària (a) que es deu al moviment col·lectiu i està directament relacionat amb la transició entre un material elàstic (vidre sòlid) i un de viscós (líquid sotsrefredat). El seu origen i les característiques principals encara no són clares i la comprensió del procés de relaxació ß encara s'està desenvolupant. Els primers resultats obtinguts mitjançant DMA van suggerir que aquesta relaxació és el resultat de processos anelàstics, ja que el sistema està en un estat metastable. S’atribuí el seu origen a processos de difusió, similars a processos de relaxació tipus Zener o Snoek en materials cristal·lins. A l’espai de configuracions d’estats vitris determinats per l’energia potencial de cada configuració (Potential Energy Landscape), aquest procés s'atribueix a salts entre mínims propers d'energia separats per una barrera de baixa energia. També es tracta com un procés relacionat amb l'activació de zones locals de cisalla (Shear transformation zones, STZ) o regions locals de fluència. En aquesta tesi, la relaxació mecànica dels MGs s'explora mitjançant mesures quasiestàtiques de fluència i relaxació de la tensió, així com per DMA. Els models teòrics actuals i les dades experimentals disponibles a la literatura són revisats i discutits. Després, tres sistemes de MG diferents, en concret Cu46Zr46Al8, Pd42.5Ni7.5Cu30P20 i Fe55Cr10Mo14C15B6 s'analitzen i s'aclareix que les diferents relaxacions observades a temperatures per sota la transició vítria tenen diferents orígens. Finalment, es discuteixen les implicacions de la caracterització de la dinàmica de relaxació que es presenta en aquest treball sobre les propietats mecàniques d'aquests materials. La comprensió del comportament de relaxació mecànica i alguns fenòmens relacionats, com l'envelliment físic, la deformació mecànica i l’amortiment intern es consideren fonamentals per a millorar el nostre coneixement dels vidres metàl·lics i la obtenció de nous aliatges amb un millor rendiment mecànic.

Over the last decades, Metamaterials (MTMs) have caught the attention of the scientific community. Metamaterials are basically artificially engineered materials which can provide unusual electromagnetic properties not present in nature. Among other novel and special EM applications, such as the negative refraction index (NRI) application, Metamaterials allow the realisation of perfect magnetic conductors (PMCs), which are of interest in the development of smaller and more compact antenna systems composed of one or more antennas. In this context, this thesis is focused on investigating the feasibility of using metamaterial structures to improve the performance of antennas operating at the microwave frequencies. The metamaterial design process is challenging because metamaterials are primarily composed of resonant particles, and hence, their response is frequency dependent due to the dispersive behaviour of their effective medium properties. However, one can take advantage of this situation by exploiting those strange properties while finding other antenna applications for such metamaterial designs. For the case of the PMC applications, the relative magnetic permeability values are negative, because they are found just above the resonance of the metamaterial. This thesis investigates several antenna applications of artificial magnetic materials (AMMs). The initial work is devoted to the design of a spiral resonator (SR) AMM slab to realise a low profile reflector dipole antenna by taking advantage of its PMC response. The spiral resonator has been used due to its reduced unit cell size when compared to other metamaterial resonators, leading to a more homogeneous metamaterial structure. In addition, a bidirectional PMC spacer has been applied to produce a small and compact antenna system composed of two monopole antennas, although the concept may be applied to other antenna types. A third application as an AMC reflector are the transpolarising surfaces, where the incident electric field plane wave is reflected at a polarisation rotation angle of 90 degrees. Such surfaces may be of interest to produce high cross-polar response reflecting devices, like the modified trihedral corner reflector that has been tested for polarimetric synthetic aperture radar (PolSAR) purposes. Another application of the SR AMM metamaterial is the patch antenna with a magneto-dielectric loading. The relative magnetic permeability of the AMM metamaterial has values over the unity in the frequency band below the resonance. As a consequence, the patch antenna can be miniaturised without reducing its bandwidth of operation, in contrast to a typical high dielectric permittivity substrate. Finally, the SR AMM metamaterial also presents values of relative magnetic permeability between zero and the unity (MNZ). In such a case, the SR AMM metamaterial has been applied as an MNZ cover of a slot antenna, devoted to increasing the broadside radiated power and directivity of the antenna. / En las últimas décadas, los Metamateriales (MTMs) han captado la atención de la comunidad científica internacional. Los metamateriales son básicamente materiales artificiales diseñados que tienen propiedades electromagnéticas inusuales no presentes en la naturaleza. Aparte de otras aplicaciones innovadoras en electromagnetismo, como la posibilidad de un material con un índice de refracción negativo (NRI), los metamateriales permiten realizar los conductores magnéticos perfectos (PMCs), que podrían ser de gran utilidad para implementar sistemas de múltiples antenas más pequeños y compactos. En este contexto, esta tesis se centra en investigar el uso de diferentes diseños de metamateriales para mejorar las prestaciones de sistemas radiantes o antenas que trabajan a frecuencias de microondas. El proceso de diseño de los metamateriales es complicado, porque los metamateriales están compuestos de resonadores magnéticos, y consecuentemente, su respuesta varía con la frecuencia a causa de la naturaleza dispersiva de sus parámetros de medio efectivo. No obstante, se pueden aprovechar estas propiedades extrañas para encontrar otras aplicaciones interesantes en antenas. Para el caso de aplicaciones como PMC, el valor de la permeabilidad magnética relativa toma principalmente valores negativos, ya que se encuentran después de la resonancia del metamaterial. Esta tesis realiza el estudio de diferentes aplicaciones de antenas con materiales magnéticos artificiales (AMMs). Primeramente, se ha diseñado un metamaterial AMM compuesto de resonadores en espiral (SRs), que se aplica para realizar un reflector de perfil bajo con una antena dipolo, aprovechando la respuesta PMC que proporciona el metamaterial. Se han utilizado resonadores en forma de espiral porque tienen una celda unidad más reducida al compararla con la de otros resonadores metamaterials, produciendo así una estructura metamaterial más homogénea. Además, un diseño PMC bidireccional ha permitido diseñar un sistema pequeño y compacto de dos antenas monopolo, aunque este concepto se puede aplicar a otros tipos de antenas. Una tercera aplicación como reflector AMC es el de pantalla transpolarizadora, dónde una onda eléctrica plana incidente es reflejada con un ángulo de rotación de 90 grados. Estas pantallas pueden servir para realizar dispositivos reflectores con una respuesta cruzada alta, como pasa con un triedro modificado que se ha probado con éxito en aplicaciones como calibrador de radar de apertura sintética polarimétrico (PolSAR). El metamaterial SR AMM también se ha utilizado como substrato magneto-dieléctrico de una antena impresa o patch. La permeabilidad magnética relativa de este metamaterial toma valores más grandes que la unidad en el rango de frecuencias por debajo de la resonancia. Por esto, la antena patch se puede miniaturizar sin reducir sus prestaciones de ancho de banda de operación, caso contrario a cuando se utilizan substratos de permitividad dieléctrica alta. Finalmente, el metamaterial SR AMM también toma valores de permeabilidad magnética relativa entre cero y la unidad (MNZ). En este caso, el metamaterial SR AMM se ha aplicado como un superestrato MNZ de una antena de ranura o slot, con la intención de incrementar la potencia radiada y la directividad de la antena.

Composite laminates offer decisive advantages compared to more traditional materials, especially in structural applications where weight is a design-limiting factor. However, they have also shown a susceptibility to impact damage due to the lack of plastic deformation, the low transverse and interlaminar shear strength and the laminar construction to compensate the anisotropic nature of plies. Low-velocity impacts induce a significant internal damage to laminates, causing severe reductions on stiffness, compression strength and structural stability of the structure. Consequently, there is a need to develop methodologies and tools for inspection to allow early detection of structural degradation, in order to prevent premature failure or collapse. Damage detection techniques based on structural dynamic response are presented as an attractive alternative to traditional assessment techniques, among others, because for dynamic response measurement a finite number of reference points are needed. Since there is no need to fully access the structure, it can be monitored with no service interruption. The techniques are based upon the relationship between the modal parameters and the physical properties of the structure, assuming that changes occurred in these properties induced by damage cause measurable variations of the modal parameters. This thesis analyzes the feasibility of using experimental and numerical techniques based on the dynamic response for the detection and location of induced damage, for quantifying the degree of severity and predicting the residual mechanical properties of composite laminates plates after being subjected to a low-velocity impact test. This research presents a mixed experimental and numerical approach. On the one hand there is a rigorous experimental study that includes the evaluation of the impact damage resistance, the induced damage characterization, the quantification of the effects on the dynamic response and the evaluation of residual bearing capacity. The experimental study is completed with a detailed analysis of the effect induced by artificial delaminations in the dynamic response and the residual bearing capacity of laminates. On the other hand, the phenomenon has been simulated mainly by estimating the initiation and propagation of interlaminar damage and equally the induced effects in the dynamic response. As per the numerical approach, composite material is treated as a microstructure in which failure occurs in the interaction among the constituent materials. To reproduce material’s degradation a strategy of localized elastic stiffness reduction has been used, which does not require intervention during the pre-processing phase. Empirical results provide important conclusions concerning the degree of sensitivity and suitability of different modal correlation criteria for the identification of an impact-induced damage. The new correlation criteria defined and the analysis of static and dynamic residual properties have allowed to narrow the range of uncertainty and reduce the current limitation on the maximum allowable compressive deformation of the laminates. The computational tool developed allows simulating the vibrational behavior of composite laminates, defining the material and its state of degradation in the microscale. The results support the feasibility of the microstructural approach to simulate the phenomenon. / Los materiales compuestos laminados ofrecen ventajas determinantes en comparación con los materiales más tradicionales, especialmente en aplicaciones estructurales donde el peso es un factor limitante de diseño. Sin embargo, éstos también han demostrado una susceptibilidad al daño por impacto debido a la carencia de deformación plástica, a la baja resistencia transversal e interlaminar y a la construcción laminada para reducir la naturaleza anisótropa del material. Los impactos a baja velocidad inducen en los laminados un daño interno que provoca reducciones severas en la rigidez, en la resistencia y en la estabilidad estructural. Consecuentemente, se presenta la necesidad de desarrollar metodologías y herramientas de inspección que permitan una detección precoz del estado de degradación estructural, con el fin de prevenir fallos o colapsos prematuros. Las técnicas de detección de daño basadas en la respuesta dinámica estructural se presentan como una atractiva alternativa a las técnicas de evaluación tradicionales, entre otros, porque para la adquisición de la respuesta dinámica se requiere un número finito de puntos de referencia, por lo que no es necesario un acceso completo a la estructura, permitiendo la monitorización incluso sin interrupción del servicio. Las técnicas se fundamentan en la relación entre los parámetros modales y las propiedades físicas de la estructura, asumiendo que los cambios en dichas propiedades inducidos por el daño, originan variaciones cuantificables de los parámetros modales. En esta tesis se analiza la viabilidad del uso de las técnicas experimentales y numéricas basadas en la respuesta dinámica, para la detección y localización del daño inducido, la cuantificación del grado de severidad y la predicción de las propiedades mecánicas residuales de laminados de material compuesto tras ser sometidos a un impacto a baja velocidad. El trabajo de investigación comprende un enfoque mixto experimental y numérico. Por un lado constituye un riguroso estudio experimental que incluye la evaluación de la resistencia a impacto, la caracterización del daño inducido, la cuantificación de los efectos en la respuesta dinámica y la evaluación de la capacidad portante residual. El estudio experimental se completa con un minucioso análisis del efecto inducido por deslaminaciones artificiales en la respuesta dinámica y en la capacidad portante residual de los laminados. Por otro lado, se ha simulado el fenómeno estimando principalmente la iniciación y la propagación del daño interlaminar e igualmente los efectos inducidos en la respuesta dinámica. En el enfoque numérico se trata el material compuesto como un sistema microestructural, en el cual los fallos surgen en la interacción entre los materiales constituyentes. Para reproducir la degradación se emplea una estrategia de reducción localizada de la rigidez elástica del material que no demanda una intervención durante el preproceso. Los resultados empíricos aportan conclusiones relevantes en relación al grado de sensibilidad y a la adecuación de los diferentes criterios de correlación modal para la identificación del daño inducido por un impacto. Los nuevos criterios de correlación definidos y el análisis conjunto de las propiedades estáticas y dinámicas residuales, han permitido acotar el intervalo de incertidumbre y reducir la limitación actual en relación a la deformación máxima admisible a compresión de los laminados. La herramienta de cálculo desarrollada permite simular el comportamiento vibratorio de laminados compuestos definiendo el material y su estado de degradación en la microescala. Los resultados corroboran la viabilidad del enfoque microestructural para la simulación del fenómeno.

The development of efficient algorithms to understand implosion dynamics presents a number of challenges. The foremost challenge is to efficiently represent the coupled compressible fluid dynamics of internal air and surrounding water. Secondly, the method must allow one to accurately detect or follow the interface between the phases. Finally, it must be capable of resolving any shock waves which may be created in air or water during the final stage of the collapse. We present a fully Lagrangian compressible numerical framework for the simulation of underwater implosion. Both air and water are considered compressible and the equations for the Lagrangian shock hydrodynamics are stabilized via a variationally consistent multiscale method [109]. A nodally perfect matched definition of the interface is used [57, 25] and then the kinetic variables, pressure and density, are duplicated at the interface level. An adaptive mesh generation procedure, which respects the interface connectivities, is applied to provide enough refinement at the interface level. This framework is then used to simulate the underwater implosion of a large cylindrical bubble, with a size in the order of cm. Rapid collapse and growth of the bubble occurred on very small spatial (0.3mm), and time (0.1ms) scales followed by Rayleigh-Taylor instabilities at the interface, in addition to the shock waves traveling in the fluid domains are among the phenomena that are observed in the simulation. We then extend our framework to model the underwater implosion of a cylindrical aluminum container considering a monolithic fluid-structure interaction (FSI). The aluminum cylinder, which separates the internal atmospheric-pressure air from the external high-pressure water, is modeled by a three node rotation-free shell element. The cylinder undergoes fast transient deformations, large enough to produce self-contact along it. A novel elastic frictionless contact model is used to detect contact and compute the non-penetrating forces in the discretized domain between the mid-planes of the shell. Two schemes are tested, implicit using the predictor/multi-corrector Bossak scheme, and explicit, using the forward Euler scheme. The results of the two simulations are compared with experimental data. / El desarrollo de métodos eficientes para modelar la dinámica de implosión presenta varios desafíos. El primero es una representación eficaz de la dinámica del sistema acoplado de aire-agua. El segundo es que el método tiene que permitir una detección exacta o un seguimiento adecuado de la interfase entre ambas fases. Por último el método tiene que ser capaz de resolver cualquier choque que podría generar en el aire o en el agua, sobre todo en la última fase del colapso. Nosotros presentamos un método numérico compresible y totalmente Lagrangiano para simular la implosión bajo el agua. Tanto el aire como el agua se consideran compresibles y las ecuaciones Lagrangianos para la hidrodinámica del choque se estabilizan mediante un método multiescala que es variacionalmente consistente [109]. Se utiliza una definición de interfase que coincide perfectamente con los nodos [57, 25]. Ésta, nos facilita duplicar eficazmente las variables cinéticas como la presión y la densidad en los nodos de la interfase. Con el fin de obtener suficiente resolución alrededor de la interfase, la malla se genera de forma adaptativa y respetando la posición de la interfase. A continuación el método desarrollado se utiliza para simular la implosión bajo el agua de una burbuja cilíndrica del tamaño de un centímetro. Varios fenómenos se han capturado durante el colapso: un ciclo inmediato de colapso-crecimiento de la burbuja que ocurre en un espacio (0.3mm) y tiempo (0.1ms) bastante limitado, aparición de inestabilidades de tipo Rayleigh-Taylor en la interfase y formaron de varias ondas de choque que viajan tanto en el agua como en el aire. Después, seguimos el desarrollo del método para modelar la implosión bajo el agua de un contenedor metálico considerando una interacción monolítica de fluido y estructura. El cilindro de aluminio, que a su vez contiene aire a presión atmosférica y está rodeada de agua en alta presión, se modelando con elementos de lámina de tres nodos y sin grados de libertad de rotación. El cilindro se somete a deformaciones transitorias suficientemente rápidos y enormes hasta llegar a colapsar. Un nuevo modelo elástico de contacto sin considerar la fricción se ha desarrollado para detectar el contacto y calcular las fuerzas en el dominio discretizado entre las superficies medianas de las laminas. Dos esquemas temporales están considerados, uno es implícito utilizando el método de Bossak y otro es explícito utilizando Forward Euler. Al final los resultados de ambos casos se comparan con los resultados experimentales.