[pt] Apresentam-se as implementações em um programa tridimensional não-linear pelo método dos elementos finitos de análise mecanística de pavimentos flexíveis através do método racional de dimensionamento. Os materiais geotécnicos das diversas camadas que compõem a estrutura do pavimento estão caracterizados através de módulos resilientes, dependentes do estado de tensões atuantes. A influência do carregamento gerado por rodas múltiplas nos campos de tensão e deslocamentos são investigados. Comparações são feitas entre os resultados obtidos nas análises tridimensionais, lineares e não-lineares, com aqueles determinados através de diversos programas computacionais baseados em geral nas hipóteses de axissimetria (carregamento por roda única) e linearidade do meio elástico. Uma aplicação prática é apresentada, considerando-se o pré-dimensionamento de trecho da estrada peruana Iquitos-Nauta. Para determinação de algumas propriedades dos materiais deste pavimento, ensaios específicos foram realizados no Laboratório de Mecânica dos Pavimentos da COPPE/UFRJ. / [en] This work presents the implementation of a non-linear three- dimensional finite element program for the analysis of flexible pavement (highway and runway pavements) through a mechanistic design method. Geotechnical materials of each pavement layer are modeled considering the variable resilient formulation dependent on the actual stress state. The influence of multiple wheel loadings on the displacement and stress fields are also considered and fully investigated. Three-dimensional results of both linear and non-linear analysis are compared with those obtained through several computer programs considering the usual hypotheses of traditional pavement design such as axissymetric loadings (one wheel), linearity of elastic media, etc. An illustrative example is also presented, considering the preliminary design of the Peruvian road between Iquitos-Nauta through the mechanistic method herein introduced. Some of the soil properties related to this application have been determined through specific tests carried out at the COPPE/UFRJ Pavement Laboratory. / [es] Se presentan la implementación del análisis mecánico de pavimentos flexibles a través del método racional de dimensionamento. La implementación fue efectuada a través de un programa tridimensional no lineal por el método de los elementos finitos. Los materiales geotécnicos de los diversos estratos que componen la extructura del pavimento están caracterizados a través de módulos resilientes, dependientes del estado de tensiones actuantes. Se investigan la influencia de la carga generada por ruedas múltiples en los campos de tensión y los desplazamientos, comparando los resultados obtenidos en el análisis tridimensional, lineal y no lineal, con los determinados a través de diversos programas computacionales basados en en las hipóteses de axisimetría (carga por rueda única) y linealidad del medio elástico. Se presenta una aplicación práctica, considerando el predimensionamento de un trecho de la carretera peruana Iquitos-Nauta. Para la determinación de algunas propriedades de los materiales de este pavimento, se realizaron ensayos específicos en el Laboratorio de Mecánica de los Pavimentos de la COPPE/UFRJ.

Tesis por compendio / [ES] La capacidad de controlar y modificar los haces de energía ha sido motivo de investigación por parte de la comunidad científica desde largo tiempo atrás. En el campo de la acústica, este control energético de las ondas mecánicas tiene numerosas aplicaciones. Desde las aplicaciones industriales, alimentarias, farmacéuticas, etcétera hasta la biomedicina. Esta tesis se basa en la aplicación del control y modulación focal de los ultrasonidos para el uso en este último campo. Se puede modular y controlar los focos de ultrasonidos de diferentes formas. En este caso, se han desarrollado lentes planas que utilizan el principio de la difracción para lograr focalizar los haces. Las ventajas del uso de lentes planas de focalización permiten ser implementadas de forma sencilla en procesos de mecanización e incluso mediante impresión 3D. Se propone utilizar transductores planos que al emitir sobre una lente acústica, se produzca una conformación focal de características controladas. La lente conocida como lente de Fresnel (FZP) ha sido escogida como base de diseño en la implementación de las diferentes soluciones que logran cumplir con los objetivos marcados. Mediante la aplicación de modificaciones en una FZP se puede lograr pasar de una lente con capacidades extraordinarias de focalización a una lente capaz de controlar la resolución lateral y la profundidad de foco e incluso mejorar la ganancia. El objetivo final de aplicación es el uso en transductores de ultrasonidos de alta intensidad conocidos como HIFU. Mejorar la capacidad de resolución hace que se puedan desarrollar mejores terapias oncológicas que supongan un índice mayor de éxito en la lucha contra el cáncer. En la presente tesis se ha propuesto, además, una novedosa lente FZP basada en el cambio de fase que puede resultar un antes y un después en aplicaciones biomédicas. Se ha conseguido no solo mejorar la eficiencia de una FZP, sino que se ha conseguido implementar en materiales compatibles con resonancia magnética. Se han desarrollado modelos numéricos basados en el método de los elementos finitos que emulan la física involucrada. Las medidas han sido realizadas en condiciones controladas por un sistema robotizado de alta precisión. Todos los resultados obtenidos y publicados han sido desarrollados de forma numérica y experimental, validándose el método de trabajo y dando consistencia a las soluciones propuestas. / [CA] La capacitat de controlar i modificar els feixos d'energia ha sigut motiu d'investigació per part de la comunitat científica des de llarg temps arrere. En el camp de l'acústica, este control energètic de les ones mecàniques té nombroses aplicacions. Des de les aplicacions industrials, alimentàries, farmacèutiques, etcètera fins la biomedicina. Esta tesi es basa en l'aplicació del control i modulació focal dels ultrasons per a l'ús en este últim camp. Es pot modular i controlar els focus d'ultrasons de diferents formes. En este cas, s'han desenvolupat lents planes que utilitzen el principi de la difracció per a aconseguir focalitzar els feixos. Els avantatges de l'ús de lents planes de focalització permeten ser implementades de forma senzilla en processos de mecanització i inclús per mitjà d'impressió 3D. Es proposa utilitzar transductores plans que a l'emetre sobre una lent acústica, es produïsca una conformació focal de característiques controlades. La lent coneguda com a lent de Fresnel (FZP) ha sigut triada com a base de disseny en la implementació de les diferents solucions que aconseguixen complir amb els objectius marcats. Per mitjà de l'aplicació de modificacions en una FZP es pot aconseguir passar d'una lent amb capacitats extraordinàries de focalització a una lent capaç de controlar la resolució lateral i la profunditat de focus i inclús millorar el guany. L'objectiu final d'aplicació és l'ús en transductores d'ultrasons d'alta intensitat coneguts com HIFU. Millorar la capacitat de resolució fa que es puguen desenvolupar millors teràpies oncològiques que suposen un índex major d'èxit en la lluita contra el càncer. En la present tesi s'ha proposat, a més, una nova lent FZP basada en el canvi de fase que pot resultar un abans i un després en aplicacions biomèdiques. S'ha aconseguit no sols millorar l'eficiència d'una FZP, sinó que s'ha aconseguit implementar en materials compatibles amb ressonància magnètica. S'han desenvolupat models numèrics basats en el mètode dels elements finits que emulen la física involucrada. Les mesures han sigut realitzades en condicions controlades per un sistema robotitzat d'alta precisió. Tots els resultats obtinguts i publicats han sigut desenvolupats de forma numèrica i experimental, validant-se el mètode de treball i donant consistència a les solucions proposades. / [EN] The ability to control and modify energy beams has been the subject of research by the scientific community for a long time. In the acoustic field, this energetic control of mechanical waves has numerous applications. From industrial, food, pharmaceutical applications, et cetera, to biomedicine. This thesis is based on the ultrasound control and focal modulation applications. It is possible to modulate and control the ultrasound focii in different ways. In this case, flat lenses were developed based on the principle of diffraction to focus the beams. The advantages of using flat focusing lenses allow them to be easily implemented in machining and drilling processes and even through 3D printing. It was proposed to use planar transducers that when emitting on an acoustic lens, controlled characteristics of focal conformation were produced. The lens known as Fresnel Zone Plane (FZP) was chosen as the implementation design basis for the different solutions that manage to fulfill the objectives set. By applying modifications to an FZP it was possible to go from a lens with extraordinary focusing capabilities to a lens that was capable to control lateral resolution, depth of focus and even improving the gain. The final objective application was the use in high intensity ultrasound transducers known as HIFU. Improving the ability to resolve makes it possible to develop better cancer therapies that represent a higher rate of success in the fight against cancer. In the present thesis, a novel FZP lens based on phase change has also been proposed that can be a before and after in biomedical applications. It has not only been possible to improve the efficiency of an FZP, but it has also been possible to implement it in materials compatible with magnetic resonance imaging. Numerical models based on the finite element method were developed for emulating the involved physics. Measurements were carried out under controlled conditions by a high precision robotic system. All the results obtained and published were developed numerically and experimentally, validating the working method and giving consistency to the proposed solutions. / I want to acknowledge the following public funding sources that have made possible this research: Grant BES-2016-077133 (Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España) Project TEC2015-70939-R (MINECO/FEDER). Tomsk Polytechnic University within the framework of Tomsk Polytechnic University Competitiveness Enhancement Program. / Tarrazó Serrano, D. (2020). Design, modelling, characterization and implementation of acoustic lenses for modulation of ultrasound beams [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159895 / TESIS / Compendio

[pt] O principal objetivo deste trabalho é a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) na análise da estabilidade de taludes em solo, para identificação da superfície crítica de deslizamento e cálculo do correspondente fator de segurança. Ainda que o método dos elementos finitos tenha se tornado ferramenta popular para análise de muitos problemas da engenharia geotécnica, existem relativamente poucas aplicações específicas publicadas na literatura sobre estabilidade de taludes. Dois métodos podem ser empregados para a utilização do MEF na área da estabilidade de taludes: o método direto, onde os resultados numéricos são exclusivamente usados para localização da potencial superfície de deslizamento e cálculo do fator de segurança, e o método indireto, onde seus resultados são acoplados a uma técnica para auxiliar a pesquisa da superfície crítica. Comparações entre resultados obtidos pelo método dos elementos finitos e de equilíbrio limite são feitas em vários exemplos numéricos investigados nesta dissertação, comentando-se a aplicabilidade, vantagens e limitações de ambas as metodologias em estudos da estabilidade de taludes em solos. / [en] The main objective of this research is the application of the finite element method (FEM) to analyze the stability of soil slopes, searching the position of the failure slip surface in the soil mass and its corresponding safety factor. The finite element method has become a popular tool for the study of many geotechnical engineering problems but, in the specific area of slope stability analysis, there are relatively few applications reported in the literature. Basically, two methods have evolved for application of the FEM results in slope stability problems: the direct method, that uses the numerical results only for establishing the slip surface and computation of the related safety factor, and the indirect method, where the FEM results are combined with another numerical technique to improve the search process of slip surfaces. Several numerical examples have been studied in this dissertation, making comparisons among the results obtained using the finite element and limit equilibrium methods. The applicability, advantages and shortcomings of both approaches are also discussed. / [es] 1276 El objetivo principal de este trabajo es la aplicación del método de los elementos finitos (MEF) al análisis de estabilidad de taludes de suelo, con el próposito de identificar la superfície crítica de deslizamento y cálculo del correspondiente factor de seguridad. Aunque el método de los elementos finitos se haya convertido en una herramienta popular en el análisis de muchos problemas de la ingeniería geotécnica, existen relativamente pocas aplicaciones específicas publicadas en la literatura sobre la estabilidad de taludes. Dos métodos pueden ser empleados para la utilización del MEF en el área de estabilidad de taludes: el método directo, donde los resultados numéricos son exclusivamente usados para localización de la potencial superficie de deslizamento y el cálculo del factor de seguridad; y el método indirecto, donde los resultados se acoplan a una técnica para auxiliar la investigación de la superficie crítica. Se utilizan varios ejemplos con el fin de comparar los resultados obtenidos por el método de los elementos finitos y por el método de equilibrio límite investigados en esta disertación. Se incluyen comentarios sobre la aplicabilidad, ventajas y limitaciones de ambas metodologías en estudios de la estabilidad de taludes en suelos.

[ES] El ruido de rodadura es un fenómeno producido debido a la interacción entre la rueda y el carril e inducido por las pequeñas irregularidades existentes en la superficie de ambos. Dichas irregularidades, conocidas como "rugosidad", provocan que se genere una vibración tanto en la rueda como el carril cuando el tren circula a una cierta velocidad, lo que consecuentemente lleva a la aparición de radiación acústica. Esto conforma una de las fuentes de molestias más relevantes y principal origen de la contaminación acústica producida por los trenes al circular por regiones urbanas densamente pobladas. Así, el objetivo de esta Tesis es el desarrollo de una metodología integral para la obtención de diseños de rueda viables mediante el uso de Algoritmos Genéticos (AG) con la finalidad de minimizar el ruido de rodadura asociado. Al desarrollar los mencionados algoritmos de optimización, el Método de Elementos Finitos (MEF) se combina con la parametrización geométrica de las diferentes tipologías de diseño de rueda analizadas, descritas en función de aquellos parámetros más relevantes para la presente investigación. Se hace uso de modelos linealizados en el dominio de la frecuencia, capaces de resolver la dinámica completa del sistema a partir de las correspondientes mallas de la sección transversal. La obtención de la potencia acústica radiada se lleva a cabo mediante el empleo de una formulación semi-analítica para el cálculo de la eficiencia acústica de la rueda y al uso de un Modelo de Fuentes Equivalentes (MFE) en el carril. El desarrollo teórico, además, es validado con el software comercial de referencia en el campo de investigación, TWINS, en el cual se basa. A lo largo de los procedimientos de optimización, se realiza un análisis de fatiga en cada diseño de rueda considerado con el fin de asegurar su viabilidad estructural, lo que actúa como una restricción de "pena de muerte" en el algoritmo. Además, se desarrolla un procedimiento de identificación modal que permite caracterizar los modos de vibración y clasificarlos según su número de diámetros y circunferencias nodales. Seguidamente, se exploran dos formulaciones diferentes de la función objetivo: una centrada en reducir directamente el ruido radiado, llamada LA;W -min; i otra centrada en disminuir el ruido de rodadura maximizando la media de las frecuencias naturales de los modos de vibración, conocida como NF-max. En la metodología LA;W -min, se minimiza la suma en energía del nivel de potencia acústica expresado en dB(A). Para el caso de NF-max, se desplazan las frecuencias naturales a regiones de frecuencia donde la amplitud de rugosidad es menor. Se consideran diversas aproximaciones: la inclusión de esquemas de perforación y la modificación de la forma de su sección transversal. Además, también se ha estudiado la influencia en el ruido de la variación de las propiedades geométricas del carril y viscoelásticas de la vía. Como resultado de esta Tesis se han conseguido diversos modelos más silenciosos de rueda ferroviaria, con reducciones en el ruido de rodadura de hasta 5 dB(A). Cuando se considera el sistema ferroviario completo,se siguen consiguiendo mejoras en la potencia acústica radiada con los diseños de rueda resultantes. Además, se analizan las correlaciones entre la maximización de las frecuencias naturales y la atenuación del nivel de potencia acústica, estableciendo NF-max como una metodología adecuada para los casos en que se priorice la eficiencia computacional. La sensibilidad del problema a los espacios de diseño seleccionados y la adecuación del uso de AG se estudian también con la obtención de Superficies de Respuesta. Adicionalmente, se han establecido relaciones entre la variación de los parámetros geométricos y la disminución en la radiación acústica asociada, así como se ha propuesto la reubicación de los modos de vibración a lo largo del espectro en frecuencia com / [CA] El soroll de rodament és un fenomen causat per la interacció entre la roda i el carril i induït per les xicotetes irregularitats presents a les seues superfícies. Aquestes irregularitats, conegudes amb el nom de "rugositat", provoquen que es genere una vibració tant a la roda com al carril en circular el tren a una certa velocitat, el que conseqüentment du a l'aparició de radiació acústica. Açò conforma una de les fonts de molèsties més rellevants i el principal origen de la contaminació acústica generada pels trens al seu pas per regions urbanes densament poblades. Així, l'objectiu d'aquesta Tesi és el desenvolupament d'una metodologia integral per a l'obtenció de dissenys de roda viables mitjançant l'ús d'Algoritmes Genètics (AG) amb la inalitat de minimitzar el soroll de rodament associat. Al desenvolupar els esmentats algoritmes d'optimització, el Mètode d'Elements Finits (MEF) es combina amb la parametrització geomètrica de les diferents tipologies de disseny de roda analitzades, descrites en funció d'aquells paràmetres més rellevants per a aquesta investigació. Es fa ús de models linealitzats en el domini de la freqüència, capaços de resoldre la dinàmica completa del sistema a partir les corresponents malles de secció transversal. La obtenció de la potència acústica radiada es du a terme mitjançant la utilització d'una formulació semi-analítica per al càlcul de l'eficiència acústica de la roda i l'ús d'un Model de Fonts Equivalents (MFE) amb el carril. El desenvolupament teòric s'ha validat amb el software comercial de referència al camp d'investigació, TWINS, en el qual es basa. Al llarg dels procediments d'optimització, es realitza una anàlisi de fatiga a cada disseny de roda considerat amb la finalitat d'assegurar la seua viabilitat estructural. S'ha desenvolupat un procediment d'identificació modal que permet caracteritzar els modes de vibració i classificar-los d'acord al seu número de diàmetres i circumferències nodals. També, s'exploren dos formulacions diferents de la funció objectiu: una centrada en reduir directament el soroll radiat, anomenada LA;W -min; i altra centrada en disminuir el soroll de rodament maximitzant la mitja de les freqüències naturals dels modes de vibració, coneguda com NF-max. D'aquesta manera, en la metodologia LA;W -min, es minimitza la suma en energia del nivell de potència acústica expressat en dB(A). Per al cas de NF-max, es desplacen les freqüències naturals a regions de freqüència on l'amplitud de rugositat és menor. Es consideren diverses aproximacions: la inclusió d'esquemes de perforació i la modificació de la forma de la seua secció transversal, establint el radi com un valor fixe en un cas i utilitzant-lo com un paràmetre d'optimització més en l'altre. A més a més, s'ha estudiat la influència en el soroll de la variació de les propietats geomètriques del carril i viscoelàstiques de la via. Com a resultat d'aquesta Tesi s'han aconseguit diversos models de roda ferroviària més silenciosos, amb reduccions en el soroll de rodament de fins a 5 dB(A). Quan es considera el sistema ferroviari complet amb tots els seus components, es segueixen aconseguint millores en la potencia acústica radiada amb els dissenys de roda resultants. A més a més, 'analitzen les correlacions entre la maximització de les freqüències naturals i l'atenuació del nivell de potencia acústica, establint NF-max com una metodologia adequada pels casos en que es prioritza l'eficiència computacional. La sensibilitat del problema als espais de disseny escollits i l'adequació de l'ús de AG s'estudia també mitjançant l'obtenció de Superfícies de Resposta (SRs) per als paràmetres geomètrics utilitzats. Addicionalment, s'han establert relacions entre la variació dels paràmetres geomètrics i la disminució en la radiació acústica associada, així com s'ha proposat la reubicació dels modes de vibració al voltant de / [EN] Rolling noise phenomenon is produced due to the wheel/track interaction and induced by the small unevenness present in their surfaces. Such unevenness, known as "roughness", causes that vibrations arise in both the wheel and track when the train passes by with a certain speed, that consequently leads to the appearance of acoustic radiation. This kind of noise is one of the most relevant sources of annoyance and the principal focus of the railway acoustic pollution produced by trains operating through highly populated urban regions. Thus, the main goal of the present Thesis is the development of a comprehensive methodology to achieve suitable railway wheel designs through the use of Genetic Algorithms (GAs) with the aim of minimizing the associated rolling noise. When developing the aforementioned optimization algorithms, the Finite Element Method (FEM) is combined with the geometric parametrization of the different wheel design typologies analysed, described as a function of those parameters most relevant for the current research. In order to describe the dynamic behaviour of each component involved in the wheel/track interaction, use is made of linearised models in the frequency domain capable of solving the whole coupled dynamic response from the corresponding cross-section meshes. Subsequent derivation of the radiated sound power from the dynamic information is carried out by applying a semi-analytical formulation that allows for the wheel acoustic efficiency computation, on one hand, and by making use of an Equivalent Sources Model (ESM) in the track, on the other hand. Besides, such theoretical development is validated with the reference commercial software in the field, TWINS, on which it is based. Throughout the optimization procedures, a fatigue analysis is performed on every wheel design considered to assure structural feasibility, that acts as a "death penalty" constraint in the algorithm. Furthermore, a modal identification procedure is developed, which allows to characterize modeshapes and to classify them according to their number of nodal diameters and circumferences. Then, two different formulations of the objective function are explored: one focused on directly reducing radiated noise, named LA;W-min; and another centred on decreasing rolling noise by maximizing the average natural frequency of the modeshapes, called NF-max. Hence, in the LA;W -min methodology, the sum in energy of the wheel Sound poWer Level (SWL) expressed in dB(A) is minimized. For the NF-max case, natural frequencies are shifted to frequency regions where the roughness amplitude content is lower. Different approaches are considered: the inclusion of perforation schemes in the wheel and the variation of its cross-sectional shape, setting the radius as a constant value in one case and using it as an optimization parameter in another. Moreover, the influence on the noise of changing the rail geometric and track viscoelastic properties is also studied. As a result of the present Thesis, several quieter models of railway wheels have been achieved, with rolling noise reductions of up to 5 dB(A). When the whole railway system with all the components is considered, improvements in the radiated sound power remain achieved with the resulting wheel designs. Besides, correlations between maximization of natural frequencies and SWL mitigation are analysed, establishing the NF-max as a suitable methodology for cases when computational efficiency is prioritized. The sensitivity of the problem to selected design domains and the suitability of the use of GAs are also studied with the obtention of Response Surfaces (RSs) for the geometric parameters used. Additionally, correlations are established between the variation of the geometric parameters and the decrease in the associated acoustic radiation, while the shifting of the modeshapes along the frequency domain is proposed as a physical mechanism responsible of the observed sound power decrease. / This thesis has been supported by the Agencia Estatal de Investigación and the European Regional Development Fund (projects TRA2013-45596-C2-1-R and TRA2017-84701-R). / Garcia Andrés, X. (2021). Development of innovative methodologies to reduce railway rolling noise through Genetic Algorithm-based shape optimization techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/164194 / TESIS