[pt] Métodos computacionais em engenharia são usados na solução de problemas físicos que não possuem solução analítica ou sua perfeita representação matemática é inviável. Técnicas de métodos numéricos, incluindo o amplamente usado método dos elementos finitos, podem exigir a solução de sistemas lineares com centenas de milhares de equações, demandando altos recursos computacionais (memória e tempo). Nesta tese, nós apresentamos um sistema baseado em plugins para análise numérica em larga escala. O sistema é usado como uma ferramenta original na solução de problemas de otimização topológica usando o método dos elementos finitos com milhões de elementos. Nossa estratégia utiliza uma técnica elemento-por-elemento para implementar um código altamente paralelo para um solver iterativo com baixo consumo de memória. Além disso, a abordagem de plugin proporciona um ambiente completamente flexível e fácil de estender, onde diferentes aplicações, exigindo diferentes tipos de elementos finitos, materiais, solvers lineares e formulações podem ser desenvolvidos e melhorados. O kernel do sistema é mínimo, com apenas um módulo gerenciador de plugin, responsável por carregar os plugins desejados em tempo real usando um arquivo de configuração de entrada. Todas as funcionalidades necessárias para uma determinada aplicação são definidas dentro dos plugins, sem a necessidade de mudar o kernel. Plugins podem disponibilizar ou exigir interfaces adicionais especializadas, onde outros plugins podem ser conectados para compor um sistema mais complexo e completo. Nós apresentamos resultados para uma análise estrutural estática linear elástica e para uma análise estrutural de otimização topológica. As simulações utilizam elementos Q4, hexagonal (Brick8) e prisma hexagonal (Honeycomb), com solvers diretos e iterativos usando computação sequencial, paralela e distribuída. Nós investigamos o desempenho com relação ao uso de memória e escalabilidade da solução para problemas com diferentes tamanhos, de exemplos pequenos a muito grandes em apenas uma máquina e em um cluster. Foi simulado um exemplo de análise estática linear elástica com 500 milhões de elementos em 300 máquinas. / [en] Computational methods in engineering are used to solve physical problems that do not have analytical solution or their perfect mathematical representation is unfeasible. Numerical techniques, including the largely used finite element method, require the solution of linear systems with hundreds of thousands equations, demanding high computational resources (memory and time). In this thesis, we present a plugin-based framework for large-scale numerical analysis. The framework is used as an original tool to solve topology optimization problems using the finite element method with millions of elements. Our strategy uses an element-by-element technique to implement a highly parallel code for an iterative solver with low memory consumption. Besides, the plugin approach provides a fully flexible and easy to extend environment, where different types of applications, requiring different types of finite elements, materials, linear solvers, and formulations, can be developed and improved. The kernel of the framework is minimum with only a plugin manager module, responsible to load the desired plugins during runtime using an input configuration file. All the features required for a specific application are defined inside plugins, with no need to change the kernel. Plugins may provide or require additional specialized interfaces, where other plugins may be connected to compose a more complex and complete system. We present results for a structural linear elastic static analysis and for a structural topology optimization analysis. The simulations use elements Q4, hexahedron (Brick8), and hexagonal prism (Honeycomb), with direct and iterative solvers using sequential, parallel and distributed computing. We investigate the performance regarding the use of memory and the scalability of the solution for problems with different sizes, from small to very large examples on a single machine and on a cluster. We simulated a linear elastic static example with 500 million elements on 300 machines.

[ES] La contaminación acústica se ha convertido en una causa de importantes problemas de salud, como alteraciones del sueño, cardiovasculares o cognitivas. En áreas urbanas, los altos valores del ruido debido al transporte y a otras actividades humanas pueden ser especialmente dañinos. Se trata de un tema de estudio abierto, debido a la amplia naturaleza del ruido y su gama de posibles fuentes (y, por lo tanto, las posibles soluciones para paliar cada una de ellas). Esta tesis se centra en la minimización del (i) ruido del sistema de escape, que puede abordarse mediante el uso de silenciadores (que a su vez tienen otras aplicaciones, como en los sistemas HVAC, es decir, calefacción, ventilación y aire acondicionado), así como del (ii) ruido y las vibraciones generales causados por el transporte, como por ejemplo el ruido de rodadura de los ferrocarriles, y el uso de barreras acústicas para mitigarlo. Por un lado, los silenciadores (que se pueden dividir en configuraciones reactivas, disipativas e híbridas) fueron adoptados hace tiempo en la línea de escape, pero también se ha extendido el uso de convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel, los cuales, si bien su uso responde a razones medioambientales más que de reducción del ruido, tienen un impacto en el rendimiento acústico del sistema de escape. En este punto, se revisan diversas técnicas para la simulación numérica de la propagación del sonido dentro de conductos y demás dispositivos mencionados, y se proponen varios esquemas de optimización para la minimización de la transmisión del ruido. Esto incluye (i) la optimización dimensional de los silenciadores (incluidas las cámaras reactivas y disipativas), (ii) la optimización topológica del material disipativo (su distribución de densidad) dentro de la cámara disipativa y (iii) la optimización dimensional de los dispositivos de postratamiento de escape (convertidores catalíticos y filtros de partículas diésel). Por otro lado, el apantallamiento acústico tiene una amplia gama de aplicaciones, como las barreras acústicas de tráfico, carenados de ruedas de trenes o incluso revestimientos de conductos HVAC. En este punto, se requiere acoplar los problemas acústico y elástico en el contorno aire-estructura para obtener el problema vibroacústico. Aquí se plantea una formulación híbrida en desplazamiento-presión y se aplica a varios casos prácticos, con el fin de obtener diseños elásticos acústicamente optimizados. / [CA] La contaminació acústica s'ha convertit en una causa d'importants problemes de salut, com ara alteracions del son, cardiovasculars o cognitives. En àrees urbanes, els alts valors del soroll degut al transport i a altres activitats humanes poden ser especialment nocius. Es tracta d'un tema d'estudi obert, a causa de l'àmplia naturalesa del soroll i la gamma de possibles fonts (i, per tant, les possibles solucions per pal·liar cadascuna). Aquesta tesi se centra en la minimització del (i) soroll del sistema d'escapament, que es pot abordar mitjançant l'ús de silenciadors (que alhora tenen altres aplicacions, com en els sistemes HVAC, és a dir, calefacció, ventilació i aire condicionat), així com del (ii) soroll i les vibracions generals causats pel transport, com ara el soroll de rodament dels ferrocarrils, i l'ús de barreres acústiques per mitigar-lo. D'una banda, els silenciadors (que es poden dividir en configuracions reactives, dissipatives i híbrides) van ser adoptats fa temps a la línia d'escapament, però també s'ha estès l'ús de convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel, els quals, si bé el seu ús respon a raons mediambientals més que de reducció del soroll, tenen un impacte en el rendiment acústic del sistema d'escapament. En aquest punt, es revisen diverses tècniques per a la simulació numèrica de la propagació del so dins de conductes i altres dispositius esmentats, i es proposen diversos esquemes d'optimització per minimitzar la transmissió del soroll. Això inclou (i) l'optimització dimensional dels silenciadors (incloses les càmeres reactives i dissipatives), (ii) l'optimització topològica del material disipatiu (la distribució de densitat) dins de la càmera disipativa i (iii) l'optimització dimensional dels dispositius de posttractament d'escapament (convertidors catalítics i filtres de partícules dièsel). D'altra banda, l'apantallament acústic té una àmplia gamma d'aplicacions, com ara les barreres acústiques de trànsit, carenats de rodes de trens o fins i tot revestiments de conductes HVAC. En aquest punt, cal acoblar els problemes acústic i elàstic al contorn aire-estructura per obtenir el problema vibroacústic. Aquí es planteja una formulació híbrida en desplaçament-pressió i s'aplica a diversos casos pràctics per obtenir dissenys elàstics acústicament optimitzats. / [EN] Noise pollution has become a cause of major health problems, such as sleep, cardiovascular or cognitive alterations. In urban areas, the high values of transport and other human-activity-related noise can be especially harmful. This issue is a large subject of study, due to the broad nature of noise and its range of possible sources (and therefore the potential solutions to alleviate each of them). This Thesis focuses on the minimization of (i) exhaust system noise, which can be addressed by the use of mufflers (which in turn have other applications, such as in HVAC systems, i.e., heating, ventilation, and air conditioning), and (ii) general noise and vibration caused by transport, such as railway rolling noise, and the use of sound barriers to alleviate it. On the one hand, mufflers (which can be divided into reactive, dissipative, and hybrid configurations) were long ago adopted in the exhaust line, but also the use of catalytic converters and diesel particulate filters has become spread, and, while their use responds to environmental rather than noise reduction reasons, they have an impact in the acoustic performance of the exhaust system. Diverse techniques for the modelling of sound propagation within ducts and the other aforementioned devices are reviewed, and several optimization schemes are proposed for the minimization of noise transmission. This includes (i) the sizing optimization of mufflers (including reactive and dissipative chambers), (ii) the topology optimization of the dissipative material (its density layout) within the dissipative chamber, and (iii) the sizing optimization of exhaust aftertreatment devices (catalytic converters and diesel particulate filters). On the other hand, sound barriers have a wide range of applications, such as traffic noise barriers, train wheel fairings or even HVAC duct coatings. At this point, it is required to pair the acoustic and the elastic problems at the air-structure boundary to obtain the vibroacoustic problem. A hybrid displacement-pressure formulation is recalled here and applied to several case studies, in order to obtain acoustically-optimized elastic designs. / Ferrándiz Catalá, B. (2023). Development of topology optimization techniques for noise pollution minimization in acoustic and fluid-structure problems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/197985

[pt] Em muitos problemas de engenharia, e.g., no projeto de próteses biomédicas flexíveis ou em dispositivos de absorção de energia, estruturas sofrem grandes deslocamentos. Nestes casos, a não linearidade geométrica deve ser levada em conta na resposta estrutural. Contudo, algoritmos de otimização topológica considerando não linearidades, e modelados segundo o método de elementos finitos, sofrem instabilidades numéricas causadas por distorções excessivas nas regiões de baixa densidade dentro do domínio de projeto. Em particular, a matriz de rigidez pode não ser positiva definida comprometendo a convergência do processo de otimização. Esta dissertação visa estudar um esquema de interpolação entre as formulações lineares e não lineares de elementos finitos para aliviar tais distorções. Em cada etapa da otimização, para determinar a configuração de equilíbrio, o sistema de equações não-lineares é resolvido pelo procedimento de Newton-Raphson. Utilizando-se das informações dos gradientes calculadas através do método adjunto, o Método das Assíntotas Móveis é empregado para atualizar as variáveis de projeto. Por meio de problemas de referência considerando grandes deslocamentos, são demonstradas a eficácia e a eficiência deste esquema de interpolação. Mais especificamente, as topologias otimizadas estão de acordo com aquelas obtidas na literatura e exibem a dependência esperada em relação ao nível de carga. O esquema de interpolação em estudo desempenha papel crucial na solução de problemas não lineares em níveis elevados de carga, permitindo que a rotina de otimização convirja e se obtenha a distribuição de material ótima. / [en] In many engineering problems, e.g., design of flexible biomedical prostheses or energy absorption devices, structures undergo large displacements. In those problems, the structural response must take into account the geometric nonlinearity. However, topology optimization algorithms regarding nonlinearities, and based on the finite element method, typically suffer from numerical instabilities caused by excessive distortions of low-density regions within the design domain. In particular, the stiffness matrix may be no longer positive definite, which can jeopardize the convergence of the optimization process. This thesis aims to study an interpolation scheme between linear and nonlinear finite element formultation to alleviate this convergence issue. At each step of the optimization, the nonlinear state equation is solved by the Newton-Raphson procedure to determine the equilibrium configuration. Making use of the gradient information computed from the adjoint method, the Method of Moving Asymptotes is employed to update the design variables. Through several benchmark problems considering large displacements, it is demonstrated the effectiveness and efficiency of this interpolation scheme. More specifically, the optimized designs are in agreement with those obtained in the literature and exhibit correct load-level dependence. The investigated interpolation scheme plays a crucial role in the solution of nonlinear problems with high load levels, allowing the optimization routine to converge and to obtain the optimal material arrangement.

Lattice structures have received a lot of attention as cellular materials in recent years because of their outstanding properties, such as high strength-to-weight ratio, heat transfer, energy absorption, and capability of improving noise, vibration and harshness (NVH) behavior. This type of structure received a boost from additive manufacturing (AM) technology, which can fabricate geometries in practically any shape. Due to economic and environmental requirements, lightweight design is increasingly used in automobile and construction equipment applications. NVH behavior is a crucial issue for construction equipment. However, the conventional structures' NVH behavior is mainly decided by the mass, so silence often requires heavy systems, leading to more energy consumption and emission. Therefore, the environmental trends and the resulting economic competition have limited traditional (heavy) solutions to improve NVH behavior and make the lightweight design more difficult. Novel solutions are necessary to light the difficulty and challenge of combining NVH and lightweight requirements. In this research, topology optimization was implemented on a New Articulated Hauler Transmission (NAHT) component to balance lightweight and NVH behavior. The topology- optimized 3D model was filled by a non-homogenous lattice structure with optimal lattice density via size optimization. Lattice structure optimization is one type of topology optimization, and it is the term for describing these procedures. To fabricate the complicated lattice structure, additive manufacturing (or 3D printing) is required (after topology and lattice structure optimization). The new models were analyzed using the finite element method (FEM), and the results of the analysis were compared with those of the original models. After the comparison, positive results were obtained, demonstrating that topology and lattice optimization can be applied in the design of construction equipment components. According to the results, lattice structure optimization can create a reliable lightweight design with good NVH behavior. Furthermore, lattice structure's organization and layout have a significant impact on the overall performance. / Gitterstrukturer har fått mycket uppmärksamhet som cellulära material under de senaste åren på grund av deras enastående egenskaper, t.ex. hög hållfasthet i förhållande till vikt, värmeöverföring, energiabsorption och förmåga att förbättra buller-, vibrations- och bullerskador (NVH-beteende). Denna typ av struktur har fått ett uppsving av tekniken för additiv tillverkning (AM), som kan tillverka geometrier i praktiskt taget vilken form som helst. På grund av ekonomiska och miljömässiga krav används lättviktsdesign i allt större utsträckning inom bilindustrin och byggnadsutrustning. NVH-egenskaperna är en viktig fråga för anläggningsutrustning. De konventionella konstruktionernas NVH-beteende bestäms dock huvudsakligen av massan, vilket innebär att tystnad ofta kräver tunga system, vilket leder till ökad energiförbrukning och större utsläpp. Miljötrenderna och den ekonomiska konkurrens som följer av detta har därför begränsat de traditionella (tunga) lösningarna för att förbättra NVH-egenskaperna och gjort lättviktsdesignen svårare. Nya lösningar är nödvändiga för att lösa svårigheten och utmaningen med att kombinera NVH- och lättviktskrav. I den här forskningen genomfördes topologioptimering på en komponent för en ny ledad transportörtransmission (NAHT) för att balansera lättvikts- och NVH-beteende. Den topologioptimerade 3D-modellen fylldes med en icke-homogen gitterstruktur med optimal gittertäthet via storleksoptimering. Gitterstrukturoptimering är en typ av topologioptimering, och det är termen för att beskriva dessa förfaranden. För att tillverka den komplicerade gitterstrukturen krävs additiv tillverkning (eller 3D-utskrift) (efter topologi- och gitterstrukturoptimering). De nya modellerna analyserades med hjälp av finita elementmetoden (FEM), och resultaten av analysen jämfördes med resultaten av de ursprungliga modellerna. Efter jämförelsen erhölls positiva resultat, vilket visar att optimering av topologi och gitterstruktur kan tillämpas vid utformning av komponenter för byggutrustning. Enligt resultaten kan optimering av gitterstrukturen skapa en tillförlitlig lättviktsdesign med bra NVH-beteende. Dessutom har gitterstrukturens organisering och layout en betydande inverkan på den totala prestandan.

Topologieoptimierte Geometrie wird vom Konstrukteur in einem Format benötigt, das im CAD verwendet werden kann. Die Herausforderung ist, dass man als Optimierungsergebnis eine STL-Geometrie bekommt, doch fürs CAD soll die Oberfläche möglichst glatt und vereinfacht sein. Die Software MSC Apex erzeugt aus einer STL-Geometrie eine echte, geglättete Parasolid-Geometrie. Eine spezielle Form der Topologieoptimierung ist die Topometrieoptimierung, welche die Rippenstruktur auf einem Blech vorschlägt. Auch hierfür ist Geometrierückführung möglich. Auch stark verformte Bauteile, z.B. Gummiteile, kann man als Geometrie im verformten Zustand ans CAD zurückgeben, um zu sehen, wie sie dann in die Baugruppe passen. / Topology optimized geometry must be provided to the designer in a format that can be used in CAD. The challenge is that the optimization result is typically an STL geometry, but for CAD the surface should be as smooth and simplified as possible. The MSC Apex software creates a real, smoothed parasolid geometry from an STL geometry. A special form of topology optimization is topometry optimization, which suggests the rib structure on a sheet. Reverse engineering is also possible for this. Even heavily deformed components, e.g. rubber parts, can be returned to CAD as geometry in the deformed state, to see how they fit into the assembly in this state.

Von der Professur Montage- und Handhabungstechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz wird seit 2009 das jährliche Simulationsanwendertreffen SAXSIM organisiert. Ausgewählte Beiträge werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. Das 10. Anwendertreffen SAXSIM fand am 22.03.2018 an der TU Chemnitz statt. / The Chair of Assembly and Handling Technology, which belongs to the Faculty of Mechanical Engineering, has organized the annual simulation user meeting SAXSIM since 2009. Select contributions will be published in conference proceedings. The 10th SAXSIM user meeting took place at Technische Universität Chemnitz on March 22, 2018.

Von der Professur Montage- und Handhabungstechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz wird seit 2009 das jährliche Simulationsanwendertreffen SAXSIM organisiert. Ausgewählte Beiträge werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. Das 11. Anwendertreffen SAXSIM fand am 26.03.2019 an der TU Chemnitz statt. / The Chair of Assembly and Handling Technology, which belongs to the Faculty of Mechanical Engineering, has organized the annual simulation user meeting SAXSIM since 2009. Select contributions will be published in conference proceedings. The 11th SAXSIM user meeting took place at Technische Universität Chemnitz on March 26, 2019.

Von der Professur Montage- und Handhabungstechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz wird seit 2009 das jährliche Simulationsanwendertreffen SAXSIM organisiert. Ausgewählte Beiträge werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. Das 12. Anwendertreffen SAXSIM fand am 07.03.2023 an der TU Chemnitz statt. / The Chair of Assembly and Handling Technology, which belongs to the Faculty of Mechanical Engineering, has organized the annual simulation user meeting SAXSIM since 2009. Select contributions will be published in conference proceedings. The 12th SAXSIM user meeting took place at Technische Universität Chemnitz on March 07, 2023.

[ES] El acceso a una atención sanitaria de alta calidad es un marcador importante del desarrollo de las sociedades humanas. Los aportes tecnológicos a la medicina han mostrado un potencial relevante para descubrir procedimientos efectivos a nivel preventivo, diagnóstico y terapéutico. En particular, los métodos computacionales permiten el procesamiento eficaz de datos médicos y, por tanto, pueden modelar sistemas biológicos complejos. Esto ha influido en el desarrollo de la Medicina Personalizada (MP) durante las últimas décadas, donde la obtención de conocimiento específico de cada caso permite realizar intervenciones a medida, todo ello a un coste de recursos accesible. La simulación de remodelación ósea es un campo prometedor en el contexto de la MP. Predecir un proceso de adaptación ósea en un caso concreto puede dar lugar a numerosas aplicaciones en el campo de las enfermedades óseas, tanto a nivel clínico como experimental. Mediante la combinación del Método de Elementos Finitos (FEM) y los algoritmos de remodelación ósea, es posible obtener modelos numéricos de un hueso específico a partir de datos médicos (por ejemplo, una tomografía computarizada). Todo ello puede dar lugar a una revolución en la medicina personalizada. / [CA] L'accés a una atenció sanitària d'alta qualitat és un marcador important del desenvolupament de les societats humanes. Les aportacions tecnològiques a la medicina han mostrat un potencial rellevant per a descobrir procediments efectius a nivell preventiu, diagnòstic i terapèutic. En particular, els mètodes computacionals permeten el processament eficaç de dades mèdiques i, per tant, poden modelar sistemes biològics complexos. Això ha influït en el desenvolupament de la Medicina Personalitzada (MP) durant les últimes dècades, on l'obtenció de coneixement específic de cada cas permet realitzar intervencions a mesura, tot això a un cost de recursos accessible. La simulació de remodelació òssia és un camp prometedor en el context de la MP. Predir un procés d'adaptació òssia en un cas concret pot donar lloc a nombroses aplicacions en el camp de les malalties òssies, tant a nivell clínic com experimental. Mitjançant la combinació del Mètode d'Elements Finits (*FEM) i els algorismes de remodelació òssia, és possible obtindre models numèrics d'un os específic a partir de dades mèdiques (per exemple, una tomografia computada). Tot això pot donar lloc a una revolució en la medicina personalitzada. / [EN] Access to high-quality healthcare is an important marker of the development of human societies. Technological contributions to medicine have shown relevant potential to discover effective procedures at a preventive, diagnostic and therapeutic level. In particular, computational methods enable efficient processing of medical data and can therefore model complex biological systems. This has influenced the development of Personalized Medicine (PM) over recent decades, where obtaining specific knowledge of each case allows for tailored interventions, all at an affordable resource cost. Simulation of bone remodeling is a promising field in the context of PM. Predicting a bone adaptation process in a specific case can lead to numerous applications in the field of bone diseases, both clinically and experimentally. By combining the Finite Element Method (FEM) and bone remodeling algorithms, it is possible to obtain numerical models of a specific bone from medical data (for example, a CT scan). All of this can lead to a revolution in personalized medicine. / Thanks to the Valencian funding programme FDGENT/2018, for providing economic resources to develop this long-term work. / Gutiérrez Gil, J. (2023). Personalization of Bone Remodelling Simulation Models for Clinical Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202059

Von der Professur Montage- und Handhabungstechnik der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz wird seit 2009 das jährliche Simulationsanwendertreffen SAXSIM organisiert. Ausgewählte Beiträge werden in Form eines Tagungsbandes veröffentlicht. Das 13. Anwendertreffen SAXSIM fand am 19.03.2024 an der TU Chemnitz statt. / The Chair of Assembly and Handling Technology, which belongs to the Faculty of Mechanical Engineering, has organized the annual simulation user meeting SAXSIM since 2009. Select contributions will be published in conference proceedings. The 13th SAXSIM user meeting took place at Technische Universität Chemnitz on March 19, 2024.