A través de la simulación numérica de la mecánica de aneurismas cerebrales, el profesor Dr. Ing. Álvaro Valencia del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile, en el marco del segundo año de desarrollo del proyecto Fondecyt 'FLOW DYNAMICS AND ARTERIAL WALL INTERACTION IN REALISTIC CEREBRAL ANEURYSM MODELS', está desarrollando una metodología de apoyo a las decisiones médicas, donde las simulaciones computacionales puedan brindar un grado mayor de certidumbre en el diagnóstico y evaluación de este tipo de patologías. Producto de este trabajo, se cuenta con una metodología consolidada para la reconstrucción de casos de aneurismas cerebrales reales y para la realización de simulaciones de mecánica de fluidos computacional (CFD) y con interacción fluido - estructura (FSI), para el estudio de aneurismas cerebrales sin tratamiento. Por otro lado, el efecto del tratamiento de un aneurisma, desde el punto de vista mecánico, es un punto aún no abordado. A grandes rasgos existen dos tipos de tratamientos de aneurismas: la cirugía convencional, y el tratamiento endovascular. Éste último busca modificar la circulación de sangre en el aneurisma para evitar su ruptura. En esta memoria de título se modeló y simuló un modelo de tratamiento endovascular tipo stent, que consiste en introducir una malla trenzada de metal flexible dentro de la arteria portadora del aneurisma, y se realizó una comparación de los resultados obtenidos de la simulación con el modelo de stent con los obtenidos previo al tratamiento, en el contexto de las simulaciones CFD. Se observó que el stent no tiene efectos importantes aguas arriba y aguas abajo del aneurisma, pero sí tiene efectos significativos en la zona del aneurisma. Los esfuerzos de corte en la pared del aneurisma disminuyen con la inserción del stent, llegando a disminuciones cercanas al 80% en el fondo del aneurisma. La velocidad de entrada al aneurisma también disminuye, lo cual provoca que el caudal de entrada siga la misma tendencia, obteniéndose reducciones del 38%. También se redujo la velocidad en el plano transversal paralelo al sentido del flujo en la arteria. Finalmente, debido a la utilización de un modelo de fluido no newtoniano, se notó un aumento de la viscosidad efectiva en el interior del aneurisma, en un plano transversal, paralelo al sentido del flujo sanguíneo en la arteria.

En esta tesis se abordan dos problemas diferentes de interacción del tipo fluido-estructura en el caso tridimensional: en el primero de ellos realizamos un estudio teórico de un problema de interacción entre una estructura deformable y un fluido Newtoniano incompresible (Capítulo 2), y en el segundo, consideramos un problema inverso geométrico asociado a un cuerpo rígido inmerso en un fluido (Capítulo 3). Para el primer problema probamos un resultado de existencia y unicidad de soluciones fuertes considerando para la estructura elástica una aproximación finito-dimensional de la ecuación de la elasticidad lineal. En el segundo problema, demostramos un resultado de existencia y unicidad del correspondiente sistema fluido-estructura y probamos un resultado de identificabilidad: la forma de un cuerpo convexo y su posición inicial son identificadas, vía la medición, en algún tiempo positivo, del tensor de Cauchy del fluido sobre un subconjunto abierto de la frontera exterior. También un resultado de estabilidad es estudiado para este problema.

Esta investigación busca evaluar la Interacción entre el Suelo y la Estructura (ISE) en reservorios elevados tipo INTZE de tres diferentes capacidades, cimentados en diferentes tipos de suelos, ubicados en la zona con más peligro sísmico en el Perú. Para esto se planteó realizar una muestra de 27 configuraciones estructurales, con variaciones de altura y diámetro del fuste, y diámetro de losa de cimentación, las cuales están cimentadas en cuatro tipos de suelos de acuerdo con la norma Sismorresistente E.030-16. Se evaluará la influencia de la carga sísmica, mediante un análisis dinámico espectral definido por los lineamientos de las normas nacionales E.030-16 y complementariamente por códigos y estándares internacionales como el ACI 350.3-06. Para el dimensionamiento de los reservorios se aplicó el criterio de Otto Intze, análisis estático de esfuerzos y criterios del código ACI 350.3-06 y ACI 307-48. Estos reservorios fueron modelados en el software SAP2000, contando con 216 simulaciones en total. Se aplicó el modelo de Housner (1963) para la Interacción Fluido-Estructura y para la ISE se aplicó el modelo recomendado por el código FEMA P-750. Para analizar los resultados de interés, como las fuerzas internas en el fuste, la cortante basal, momento de volteo, desplazamientos y periodos, se aplicó la prueba de normalidad de Shapiro Wilk para la variación porcentual que se genera al evaluar la ISE, con el fin de determinar intervalos de variación con una probabilidad del 95%. Además, se aplicó la prueba de independencia Chi-Cuadrado para determinar cuantitativamente si la ISE influye en la reducción de las respuestas de interés. Se concluye de la prueba de independencia que, para un nivel de significancia de 15% la ISE influye en la reducción de la fuerza cortante basal y momento de volteo. Así mismo, para un nivel de significancia de 5% la ISE influye en la reducción de las fuerzas internas locales de fuste. / This research seeks to evaluate the soil structure interaction (SSI) in elevated water tanks of three different capacities, founded on different types of soil, all located in the most seismic hazard zone in Peru. Twenty-seven models were evaluated, all with different structural adjustments, including variations in the capacity, height, and diameter of the foundation slab, which are founded on four types of soil, according to the Peruvian Code for Earthquake Resistant Design E.030-16. We are going to analyze the seismic load influence through a spectral dynamic analysis, according to the Peruvian Code E.030-16, and the ACI 350.3-06 code for elevated tanks. For the sizing of the elevated tanks, the Otto Intze criterion, the static stress analysis, the ACI 350.3-06 and the ACI 307-48 code were applied. These elevated water tanks were modeled in the SAP2000 software, with 216 simulations. The Housner model (1963) was applied for the Fluid Structure Interaction, and for the Soil-Structure Interaction (SSI), we applied the model recommended by the FEMA P-750 code. To analyze the results of interest, such as internal forces in the shaft, base shear, rocking moment, displacements and periods, we applied the Shapiro Wilk normality test for the percentage variation that is generated when we evaluate the SSI, in order to determinate variations intervals with a probability of 95%. Also, we applied the Chi-Square test of independence to determinate, quantitatively, if the results are influenced by the SSI. We concluded, from the independence test that, for a significance level of 15%, the SSI influences the reduction of the basal shear force and the rocking moment. Likewise, for a significance of 5%, the SSI influences the reduction of the internal shaft forces. / Tesis

La predicción precisa de los efectos producidos por el acoplamiento fluido estructura para cuerpos parcial o totalmente sumergidos, incluyendo superficies libres, es un problema de gran relevancia en la ingeniería naval así como en muchos otros campos del diseño de estructuras sometidas a la acción de fluidos.Las dificultades que se encuentran en la resolución de los problemas de interacción fluido estructura se deben principalmente a las siguientes causas:1. La dificultad de resolver numéricamente las ecuaciones de la dinámica de un fluido incompresible que, en general, si descartamos el caso más simple del modelo del flujo potencial, tienen un importante carácter no lineal. 2. Los obstáculos que se presentan al resolver la ecuación de la superficie libre, que constriñen el movimiento de las partículas a una superficie fluida de posición a priori desconocida.3. Las dificultades asociadas a la resolución del problema del movimiento de un cuerpo sumergido debido a las fuerzas de interacción, minimizando la deformación de los elementos de la malla y reduciendo, de esta manera, la necesidad del remallado.En la presente tesis se presenta un método estabilizado basado en el método de los elementos finitos que pretende solventar cada uno de los problemas anteriores. La metodología se basa en la modificación de las ecuaciones diferenciales de la dinámica de fluidos que gobiernan el flujo viscoso incompresible y el movimiento de la superficie libre, mediante la aplicación del método de cálculo finitesimal (FIC) propuesto en este trabajo.En el presente caso las ecuaciones modificadas son resueltas usando un esquema de pasos fraccionados semi-implícito y el método de los elementos finitos (FEM). El movimiento del cuerpo sumergido en el fluido debido a las fuerzas de interacción se calcula resolviendo un problema estructural dinámico, para el cual las fuerzas del fluido son las condiciones iniciales. Se incluye, además, un algoritmo para el movimiento de la malla debido a la deformación del dominio de cálculo. Este método minimiza la distorsión de la malla debida al movimiento del sólido rígido y al cambio de posición de la superficie libre. Este algoritmo se basa en la solución iterativa por el método de elementos finitos de un problema lineal, donde la malla de cálculo se considera un sólido elástico sometido a la deformación prescrita por el cambio en el dominio de cálculo. Las características de elasticidad del sólido, y en concreto su rigidez, se aplican de manera que los elementos que más se deforman tienen una rigidez mayor. Por último se presentan varios ejemplos de interés industrial, aplicación de la metodología propuesta en diferentes campos de la ingeniería naval.

[ES] El interés en reducir el peso y resistencia aerodinámica de vehículos y en desarrollar fuentes de energía renovables se ha incrementado debido a la compleja situación ambiental y los requerimientos legales para reducir las emisiones de contaminantes y el consumo de combustibles. La industria aeronáutica ha propuesto nuevos diseños que integren conceptos como alas de alto alargamiento y materiales con elevada resistencia específica, como los materiales compuestos. Por su parte, conceptos similares se emplean en la generación de energía eólica. El radio de las palas de las turbinas eólicas se incrementa paulatinamente, siendo un ejemplo muy claro las grandes instalaciones off-shore. El uso de estructuras más alargadas y ligeras provoca mayor deformación debida a las cargas aerodinámicas. Este fenómeno se conoce como aeroelasticidad y combina los efectos de las cargas aerodinámicas, los efectos inerciales y las tensiones internas de la estructura. La combinación de las cargas anteriores provoca fenómenos de amortiguamiento de las vibraciones, o por el contrario, inestabilidades aeroelásticas. Diferentes metodologías pueden ser empleadas para simular los fenómenos aeroelásticos. La metodología más extendida para la simulación de las ecuaciones elásticas del sólido es la conocida como análisis de elementos finitos. Respecto a las ecuaciones de conservación del fluido, la mecánica de fluidos computacional es la herramienta de resolución para un problema arbitrario. La combinación de las metodologías anteriores puede ser empleada para el cálculo de fenómenos aeroelásticos. Sin embargo, el coste computacional de estas simulaciones es inasumible en la mayoría de casos de aplicación. Se requiere una metodología nueva capaz de reducir el coste de cálculo. Este trabajo se centra en el desarrollo de modelos de orden reducido que permitan resolver el problema acoplado sin pérdidas sustanciales de precisión. En primer lugar, la estructura tridimensional se reduce a una sección equivalente que reproduzca la física del sólido original. La sección equivalente se acopla con dos modelos aerodinámicos: simulaciones de mecánica de fluidos computacional y un modelo reducido basado en redes neuronales. Ambos modelos presentan elevada precisión respecto a las simulaciones tridimensionales. Sin embargo, algunos efectos como los efectos aerodinámicos tridimensionales, las distribuciones de carga aerodinámica, la presencia de materiales ortotrópicos y los acoplamientos estructurales no pueden ser simulados. Con el objetivo de resolver los limitantes del modelo anterior, se propone un segundo modelo de orden reducido. En este caso se trata de un algoritmo basado en elementos de viga. El algoritmo se diseña para ser capaz de incluir el cálculo de materiales ortotrópicos y diferentes tipos de problemas aeroelásticos. Inicialmente, se emplea el software para determinar su precisión en el cálculo de una viga de material compuesto y sección rectangular. Estos resultados se validan con las simulaciones tridimensionales. De este modo se demuestra la capacidad de la herramienta computacional para predecir las inestabilidades y los efectos de acoplamiento estructural provocados por la orientación de las fibras. Posteriormente, el algoritmo se emplea en la simulación de turbinas eólicas, mejorando los rangos de operación de las palas sin que ello suponga una penalización desde el punto de vista del peso de la misma. Finalmente, un ala basada en una estructura de membrana resistente es simulada. El cálculo obtiene una gran precisión en la predicción de la velocidad de flameo respecto a la simulación acoplada, siendo la única limitación del modelo la predicción de la distorsión de la membrana. El trabajo presente un conjunto de modelos de orden reducido que permiten disminuir el coste computacional de las simulaciones aeroelásticas en órdenes de magnitud. También, se proporcionan directrices para la selección del modelo reducido apropiado para los casos de interés. / [CA] L'interès a reduir el pes i la resistència aerodinàmica dels vehicles i a desenvolupar fonts d'energia renovables s'ha incrementat a causa de la complexa situació ambiental i els requeriments legals per a reduir les emissions de contaminants i el consum de combustibles. La indústria aeronàutica ha proposat nous dissenys que integren conceptes com ales d'alt allargament i materials amb elevada resistència específica, com ara els materials compostos. Per la seua banda, conceptes similars es fan servir en la generació d'energia eòlica. El radi de les pales de les turbines eòliques s'incrementa progresivament, sent un exemple molt clar les grans instal·lacions off-shore. L'ús d'estructures més allargades i lleugeres provoca més deformació deguda a les càrregues aerodinàmiques. Aquest fenomen es coneix com a aeroelasticitat i combina els efectes de les càrregues aerodinàmiques, els efectes inercials i les tensions internes de l'estructura. La combinació de les càrregues anteriors provoca fenòmens d'esmorteïment de les vibracions, o per contra, inestabilitats aeroelàstiques. Diferents metodologies poden ser emprades per simular els fenòmens aeroelàstics. La metodologia més estesa per a la simulació de les equacions elàstiques del sòlid és la coneguda com a anàlisi d'elements finits. Pel que fa a les equacions de conservació del fluid, la mecànica de fluids computacional és l'eina de resolució per a un problema arbitrari. La combinació de les metodologies anteriors pot ser emprada per al càlcul de fenòmens aeroelàstics. Tot i això, el cost computacional d'aquestes simulacions és inassumible en la majoria de casos d'aplicació. Cal una metodologia nova capaç de reduir el cost de càlcul. Aquest treball se centra en el desenvolupament de models d'ordre reduït que permeten resoldre el problema acoblat sense pèrdues substancials de precisió. En primer lloc, l'estructura tridimensional es reduix a una secció equivalent que reproduixca la física del sòlid original. La secció equivalent s'acobla amb dos models aerodinàmics. El primer empra les forces aerodinàmiques obtingudes mitjançant simulacions de mecànica de fluids computacional. Posteriorment es fa servir un model reduït basat en xarxes neuronals. Tots dos models presenten elevada precisió respecte a les simulacions tridimensionals. No obstant això, alguns efectes com ara els efectes aerodinàmics tridimensionals, les distribucions de càrrega aerodinàmica, la presència de materials ortotròpics i els acoblaments estructurals no poden ser simulats. Amb l'objectiu de resoldre els limitants del model anterior, es proposa un segon model dordre reduït. En aquest cas és un algorisme basat en elements de biga. L'algorisme es dissenya per ser capaç d'incloure el càlcul de materials ortotròpics i diferents tipus de problemes aeroelàstics. Inicialment, s'empra el programari per determinar-ne la precisió en el càlcul d'una biga de material compost i secció rectangular. Aquests resultats es validen amb les simulacions tridimensionals. D'aquesta manera, es demostra la capacitat de l'eina computacional per predir les inestabilitats i els efectes d'acoblament estructural provocats per l'orientació de les fibres. Posteriorment, l'algorisme s'empra en la simulació de turbines eòliques, millorant els rangs d'operació de les pales sense que això suposi una penalització des del punt de vista del pes. Finalment, una ala basada en una estructura de membrana resistent és simulada. El càlcul obté una gran precisió en la predicció de la velocitat de flameig respecte a la simulació acoblada, i l'única limitació del model és la predicció de la distorsió de la membrana. El treball presenta un conjunt de models reduïts que permeten disminuir el cost computacional de les simulacions aeroelàstiques en ordres de magnitud. També es proporcionen directrius per a la selecció del model reduït adequat per als casos d'interès. / [EN] The complex environmental situation and the legal requirements for decreasing pollutant emissions and fuel consumption have increased the interest in reducing the empty weight and drag of vehicles and developing renewable energy sources. Due to the former, the aviation industry has proposed new designs integrating high strength-to-weight ratios, such as composite materials and higher aspect ratio wings. These increases in aspect ratio have also been applied to wind energy generation. The rotors of wind turbines are increasing their diameters in recent years: a clear example is the massive off-shore facilities. Using larger and lightweight structures increases the effects of the aerodynamic loads on structural deformation. Structural dynamics are strongly connected to the air-structure interaction. This phenomenon, called aeroelasticity, combines the effect of the external aerodynamic loads, the inertial forces, and the internal elastic stress of the structure. The complex combination of all the previous effects may damp the vibrations of the structure, or on the contrary, they could increase their amplitude, resulting in an unstable phenomenon. The simulation of the aeroelastic phenomena can be performed using different approaches. The well-known finite element analysis is the most extended methodology for solving solid elastic equations. Regarding fluid conservation equations, computational fluid dynamics is the principal tool for resolving general aerodynamic problems. The aeroelastic simulations can be calculated by combining the previous algorithms. Nevertheless, the computational cost of these methodologies is excessive for a general engineering case. Therefore, new methodologies are required. This work focuses on developing aeroelastic reduced-order models that compute the coupled phenomena without substantial accuracy losses. Initially, the complete three-dimensional structure is reduced to an equivalent section that reproduces the structure. The equivalent structural section is coupled with two aerodynamic models. The first one uses the forces calculated with aeroelastic computational fluid dynamics. Then, a surrogate model based on artificial neural networks is combined with the equivalent section. Both models show accurate agreement compared to the complete three-dimensional simulations in predicting unstable velocity. However, the three-dimensional aerodynamic effects, load distribution, orthotropic materials, and structural couplings cannot be considered. In order to solve the previous limitations, a reduced-order model based on a beam element solver is proposed. The algorithm is designed to consider a general orthotropic material and different typologies of aeroelastic problems. Initially, the software is proven to simulate accurately a squared cross-section composite material beam. The results are validated with the complete three-dimensional simulations, demonstrating the capabilities of the tool for predicting the instabilities and the effects of the fiber orientations. Then, the algorithm is used for simulating a wind turbine blade, and the algorithm results are used to improve the operation range of the blades without weight penalties. Finally, a resistant membrane wing is simulated, obtaining high accuracy in the prediction of the flutter velocity compared with the complete coupled simulation. In addition, the only limitation of the model is the prediction of the membrane distortion. The work presents a set of reduced-order models that allow for reducing the computational cost of the aeroelastic simulations by orders of magnitude. In addition, a decision pattern is provided for selecting the appropriate algorithm for the interest problem. / This thesis have been funded by Spanish Ministry of Science, Innovation and University through the University Faculty Training (FPU) program with reference FPU19/02201. / Cremades Botella, A. (2023). Fluid-structure interaction with the application to the non-linear aeroelastic phenomena [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/199249