El presente proyecto de tesis consiste en la simulación numérica de un proceso de soldadura, para tal fin se desarrolla un modelo termo-mecánico tridimensional con prescripción de temperatura basado en la hipótesis de desacople del proceso de soldadura en tres grandes campos (campo de temperaturas, campo de esfuerzos y deformaciones y campo de estado microestructural) y la influencia mutua que existe entre ellos. Se llevan a cabo dos estudios, primero un estudio térmico transitorio con el fin de obtener la historia térmica, la misma que luego servirá como carga externa (información de entrada) para el estudio mecánico no lineal, con el fin de alcanzar el principal objetivo que es conocer la historia de esfuerzos a lo largo del proceso y la magnitud de los esfuerzos residuales. / Tesis

Esta tesis desarrolla la simulación del proceso de fundición de un elemento cilíndrico con el programa de elementos finitos Vulcan 8.0, a la par de la ejecución real de la misma pieza en el laboratorio de la Sección de Ingeniería Mecánica, con el objetivo de comparar los resultados de los procesos, evaluar la capacidad de la herramienta de simulación utilizada y de esta manera contribuir a la aplicación del software a la enseñanaza universitaria. El capítulo 1 es la base teórica de la tesis y por lo tanto está dedicado a subrayar la teoría importante del conjunto: Proceso de fabricación (Fundición)/Herramienta de Simulación (Vulcan), mientras que el Capítulo 4, resulta ser una guía de simulación para los alumnos de las clases de Laboratorio de Fundición en donde el uso del software del Vulcan forma parte de la experiencia académica. El capítulo 2 y 3, conforman el cuerpo de este trabajo, y aquí los resultados del conjunto ensayo/simulación son comparados en base a los defectos presentados. El defecto más notorio y perjudicial en la pieza fundida es el rechupe. Mediante la simulación, la localización de dicho defecto se logra predecir con una muy buena aproximación mediante el criterio de solidificación de materiales denominado fracción sólida. Además, el software permite observar la evolución de vectores de velocidad durante el llenado, lo cual ayuda a evaluar zonas de alta turbulencia y por lo tanto focos de aparación de porosidades y defectos. Para finalizar el capítulo 3, se presentan gráficos de evolución de la variable temperatura versus tiempo con el objetivo de analizar el fenómeno de la transferencia de calor durante la solificación del material. Finalmente se comprueba que, a pesar de las dificultades presentadas durante el desarrollo de la investigación, como por ejemplo la utilización de un material de colada distinto para cada procedimiento (virtual: A1Si7Mg /real:chatarra de aluminio), los resultados presentados por el software Vulcan son muy convincentes. Los defectos reales son localizados con gran precisión en la pieza virtual. Este resultado permite afirmar que este programa posee una muy buena capacidad para evaluar los diseños preliminares de una fundición. / Tesis

El litoral es uno de los ecosistemas que exhiben mayor dinamismo en la naturaleza. La actividad humana es un factor determinante para dicha dinámica, ya que está relacionada a la infraestructura de protección, puertos o edificaciones en dicha zona. Por ende, conocer los procesos morfodinámicos del cambio y tendencias sobre las medidas de cambio costero es una de las metas actuales de la ingeniería. Para tal fin, el presente trabajo busca describir el estado del arte de la dinámica costera y caracterizar los procesos de cambio del litoral peruano mediante un análisis númerico del cambio de posición de las costas. Con uso de la metodología descrita, se analizaron tres casos de estudio en el Perú, las cuales son costas cercanas a Paita, Lima y Matarani. Para dicho análisis, se usaron imágenes satelitales, plataformas GIS y programas de análisis númerico con los que se obtuvo espectros de variación de la señal costera que ayudan a medir la variabilidad del cambio costero. Dentro de los resultados obtenidos, se encontró un comportamiento autosimilar (fractales) en escalas pequeñas de hasta 1 km. Mientras que, en escalas mayores, la variablidad creció hasta una escala que puede ser denominada como la escala característica de la costa, la cual tiene un tiempo de estabilización asociado en el que se puede afirmar que la costa llega a un estado de equilibrio. Asimismo, se encontró que los procesos dinámicos que predominan en los litorales analizados están relacionados con escalas características de gran longitud (mayores a las de 1 km). Por tal motivo, se deben aunar esfuerzos para seguir en esta línea de investigación, a partir de cual se puede llegar a definir la forma de evolución de una línea costera. / Tesis

This thesis is devoted to the numerical analysis of mesh-free methods and, in particular, to the study of the possible advantages of the EFG (Element Free Galerkin) mesh-free method against the well-known FE (Finite Element) method. More precisely, the EFG method and the FE method behavior are compared in two particular interesting problems: (1) analysis of volumetric locking in mechanical problems and (2) accurate resolution of transient convection dominated problems. In both cases the good properties and possibilities of mesh-free methods become apparent. However, in several situations the FE method is still more competitive: for instance, the computation of the FE shape functions and its integrals are less costly, and essential boundary conditions can be easily imposed. Thus, in order to take advantage of the good properties of both methods, a mixed interpolation combining FE and EFG is proposed. This formulation can be applied in two useful situations: (i) enrichment of finite elements with EFG, and (ii) coupling of FE and EFG. An a priori error estimate for the first one is presented and proved. Several examples show the applicability of the mixed interpolation in adaptive computations. / Aquesta tesi està dedicada a l'anàlisi numèrica dels mètodes sense malla i, en particular, a l'estudi dels possibles avantatges del mètode EFG (Element Free Galerkin) davant del ben conegut MEF (Mètode dels Elements Finits). Concretament, es comparen el mètode EFG i el MEF en dos problemes concrets d'interès: (1) l'anàlisi del bloqueig volumètric en problemes mecànics i (2) la resolució precisa de problemes transitoris amb convecció dominant. Les bones propietats i possibilitats dels mètodes sense malla es fan evidents en tots dos casos.Tot i així, en varis aspectes el MEF resulta més competitiu: per exemple, el càlcul de les funcions de forma i de les seves integrals es menys costós, i les condicions de contorn essencials es poden imposar fàcilment. Amb l'objectiu d'aprofitar les bones qualitats dels dos mètodes, es proposa una interpolació mixta combinant elements finits y EFG, aplicable en dues situacions: (i) enriquiment d'elements finits amb EFG i (ii) acoblament d'elements finits i EFG. Per al primer cas, es presenta i demostra una cota a priori de l'error. L'aplicabilitat d'aquesta interpolació mixta en processos adaptatius es mostra amb varis exemples. / Esta tesis está dedicada al análisis numérico de los métodos sin malla y, en particular, al estudio de las posibles ventajas del método EFG (Element Free Galerkin) frente al bien conocido MEF (Método de los Elementos Finitos). Concretamente, se comparan el método EFG y el MEF en dos problemas concretos de interés: (1) el análisis del bloqueo volumétrico en problemas mecánicos y (2) la resolución precisa de problemas transitorios con convección dominante. Las buenas propiedades y posibilidades de los métodos sin malla se hacen evidentes en ambos casos.Sin embargo, en varios aspectos el MEF resulta más competitivo: por ejemplo, el cálculo de las funciones de forma y sus integrales es menos costoso, y las condiciones de contorno esenciales se pueden imponer fácilmente. Con el objetivo de aprovechar las buenas cualidades de ambos métodos, se propone una interpolación mixta combinando elementos finitos y EFG, aplicable en dos situaciones: (i) enriquecimiento de elementos finitos con EFG, y (ii) acoplamiento de elementos finitos y EFG. Para el primer caso, se presenta y demuestra una cota a priori del error. La aplicabilidad de esta interpolación mixta en procesos adaptativos se muestra con varios ejemplos.

Geóloga / Durante las últimas décadas se han realizado grandes avances en el modelamiento geomecánico y en el desarrollo de técnicas de teledetección. Estos avances han permitido el perfeccionamiento de los análisis de estabilidad en laderas de roca al mejorar nuestro entendimiento tanto de los mecanismos como de los procesos involucrados, y de los riesgos asociados a los deslizamientos. La presente memoria tiene como propósito la implementación de herramientas de modelamiento numérico, específicamente, el programa 3DEC, basado en el método de elementos distintos, para la caracterización de laderas de rocas afectadas por deslizamientos considerando su superficie topográfica y sus propiedades geológicas y geotécnicas. Además, en base a la experiencia adquirida con el uso del software, se propone una metodología consistente en siete etapas, que sirva como guía para ser aplicada por futuros usuarios de este tipo de herramientas aplicado a problemas geoingenieriles en taludes de roca. A grandes rasgos, para el desarrollo de estos modelos, se requiere, en primera instancia, contar con un Modelo de Elevación Digital, el cual permite generar la topografía de la zona, ya sea en base a modelos de bloques o de superficies. Luego, se le asignan a los materiales y las discontinuidades sus propiedades correspondientes. Finalmente, se desarrollan los modelos considerando los objetivos del mismo. Se elabora un modelo geométrico para el caso de estudio de Cerro Catedral, ubicado en la Cordillera Principal de la Región Metropolitana, el cual refleja la topografía reconstruida y las propiedades de la roca y de las discontinuidades. Se analiza la estabilidad estática para 2 variantes del modelo: un escenario en donde todas las discontinuidades que separan al talud de la remoción están abiertas y otro que considera un puente de roca en la segunda rampa del talud. Se concluye del análisis, que el modelo con discontinuidades abiertas es estable estáticamente para valores de fricción interna superiores a 25°, con un modelo puramente friccional, y que al introducir un puente de roca, el talud pasa a ser estable para todo el rango de propiedades consideradas.

Desde los primeros estudios desarrollados por S.B. Cohn a finales de los años 60, los resonadores dieléctricos, con factor de calidad elevado, han sido utilizados para el diseño de filtros paso-banda de microondas. A partir de la aparición en los años 70 de materiales dieléctricos con las propiedades eléctricas y estabilidad térmica idónes, los resonadores dieléctricos se convirtieron en elementos clave en numerosos diseños de filtros. De hecho, esta tecnología se encuentra frecuentemente en sistemas de comunicaciones míviles y por satélite debido a sus ventajas en términos de reducción de masa y volumen, bajas pérdidas, y estabilidad térmica. Por todo ello, el análisis y diseño riguroso de este tipo de filtros ha suscitado un gran interés en la literatura técnica. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el desarrollo de una técnica modal eficiente para caracterizar el comportamiento electromagnético de cavidades resonantes cargadas con dieléctricos. Para ello, se presenta una nueva formulación de ecuación integral en el espacio de estados basada en el método BI-RME (del inglés, boundary integral-resonant mode expansion). En dicha formulación, para resolver la ecuación integral de volumen planteada, el resonador dieléctrico se caracteriza de manera rigurosa por medio de las densidades de carga y corriente de polarización equivalentes definidas en el volumen del objeto dieléctrico. Siguiendo este método, los modos resonantes de las cavidades se obtienen a través de la solución de un problema lineal de autovalres. Así mismo, se obtiene la matriz generalizada de admitancias de la cavidad resonante cargada con dieléctrico como una expansión en serie de polos en el dominio de la varable de Laplace. De esta manera, la respuesta electromagnética de las cavidades resonantes puede resolverse en un rango amplio de puntos de frecuencia haciendo uso de un reducido esfuerzo computacional, y evitando así, cálculos intensos en cada punto de frecuencia. / Gil Raga, J. (2010). Full-wave analysis and design of passive microwave and millimetre-wave devices based on dielectric-loaded cavity resonators [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7442 / Palancia

El correcto modelamiento de flujos turbulentos representa un reto en la ingeniería hasta el día de hoy. El modelamiento de la combustión turbulenta resulta aún más complejo, debido a la interacción entre la cinética química y la turbulencia. El entendimiento del proceso de combustión turbulenta es clave en el desarrollo de quemadores, ya que deben ser diseñados para brindar una llama estable. Un mecanismo de estabilización ampliamente empleado es el de la llama recirculante. El propósito del presente trabajo es caracterizar numéricamente el flujo turbulento inerte presente en la estela cercana en un quemador tipo bluff-body utilizando herramientas CFD de fuente abierta. Los resultados numéricos son comparados y validados con mediciones experimentales realizadas en la PUC-Rio. Cuatro abordajes numéricos son estudiados: (i) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS), (ii) Large Eddy Simulation (LES), (iii) Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) e Improved DDES (IDDES). El primero consiste en resolver valores promedios de las cantidades físicas y modelar las varianzas. El segundo consiste en filtrar espacialmente y resolver directamente los vórtices turbulentos grandes, mientras que se modelan los más pequeños. El tercero y el cuarto están basados en una técnica híbrida entre RANS y LES. Para producir los resultados numéricos LES, DDES e IDDES se realizan promedios tanto temporales como espaciales en la dirección azimutal para reducir el costo computacional de las simulaciones, aprovechando la simetría del flujo alrededor del eje. Luego, la sensibilidad a la malla es evaluada utilizando el método de autocorrelaciones espaciales, nuevamente aplicando un promedio azimutal. Estos promedios implican una transformación de coordenadas de cartesianas a cilíndricas. Finalmente, los resultados finales muestran que la técnica más apta para este caso es el LES, seguido por las técnicas híbridas. Si bien el abordaje RANS muestra un acercamiento cualitativo a los campos de velocidad experimental, este se aleja en la estructura turbulenta del flujo, siendo el que más diverge de los resultados experimentales.

En el Perú, la minería es una actividad extractiva que permite mantener la estabilidad económica del país. En la actualidad, aproximadamente, un tercio del consumo eléctrico nacional proviene del sector minero, el cual es mayoritariamente utilizado para el transporte y molienda de pulpas minerales en plantas concentradoras de mineral. Por lo tanto, la minería como actividad económica demanda una gran cantidad de recursos energéticos, cuya generación origina impactos negativos en la salud y el medio ambiente. Así, la determinación de condiciones operativas de plantas de concentración que permitan reducir el consumo de energía asociado es de particular interés para la industria. En la práctica, el transporte y molienda de pulpas minerales involucra flujos turbulentos de fluidos no-Newtonianos. Por lo tanto, simulaciones numéricas de estos flujos complejos deben ser capaces de describir adecuadamente el fenómeno de la turbulencia. El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar modelos de turbulencia tipo LES (simulación de grandes escalas) para estos flujos complejos, considerando el comportamiento reológico de las pulpas minerales. En consecuencia, a fin de describir adecuadamente el modelamiento numérico de estos flujos de interés vía LES, trabajos anteriores involucrando flujos de fluidos no- Newtonianos son inicialmente revisados. Luego, los modelos de turbulencia LES son implementados en una herramienta computacional (CFLOWSS) actualmente en desarrollo. Con los modelos implementados, resultados de flujos turbulentos Newtonianos obtenidos en una configuración clásica de placas planas son primero comparados con otros disponibles en la literatura. Finalmente, para evaluar el efecto de la reología sobre las características turbulentas del flujo, flujos turbulentos no-Newtonianos como aquellos caracterizando el transporte de pulpas minerales son numéricamente simulados.

El estudio y la conservación del patrimonio de estructuras de piedra es una preocupación mundial, sobre todo, si estas construcciones están ubicadas en zonas sísmicas. En el Perú -debido a su gran variedad cultural e histórica- existe un gran número de construcciones de piedra en diferentes sitios arqueológicos, abarcando varias tipologías constructivas. Lamentablemente, gran parte de estas construcciones aún no han sido evaluadas estructuralmente, por lo que se desconoce su comportamiento estructural. También, no se cuenta con una taxonomía de tipologías estructurales y, por ende, diversas características de las construcciones existentes son desconocidas. Una forma de evaluar el comportamiento dinámico no lineal de estas estructuras es usando una rigurosa -pero rápida- metodología numérica que reproduzca adecuadamente los diferentes mecanismos de fallo, basada en la dinámica de cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de elementos finitos. Como una primera contribución, en este proyecto se presenta una clasificación taxonómica de construcciones prehispánicas de piedra en el Perú a partir de un estudio de campo. A partir de esta taxonomía, se clasificaron diversos sitios arqueológicos de las regiones de Puno y Cusco, y se identificaron las tipologías más recurrentes de estas regiones. Por otro lado, se elaboraron novedosos códigos en Python, para la obtención del modelo geométrico de estructuras de junta seca, a partir de las imágenes tomadas por un cámara, o de una fotografía existente (incluyendo la identificación de las piedras y las juntas por medio de la segmentación de imágenes). Estas rutinas permiten crear el modelo 3D de cada bloque (piedra), ensamblarlos y exportarlos a un programa de análisis numérico para evaluaciones posteriores. Para el desarrollo de la metodología numérica, se propone la dinámica de los cuerpos rígidos bajo el enfoque del método de los elementos finitos. Cada bloque de piedra se considera como un cuerpo rígido interconectado con otros bloques mediante interfaces no lineales. Esta metodología es validada usando Abaqus, basado en los resultados de ensayos experimentales en esta tesis. En la campaña experimental se construyeron tres muros con bloques de concreto simulando la geometría de estructuras Inca. Los muros fueron construidos sobre una mesa inclinable y fueron ensayados por volteo fuera de su plano. Luego, se elaboraron modelos numéricos de estos ensayos, en los cuales se calibraron las propiedades de contacto con tal que simulen correctamente el comportamiento experimental. Los resultados numéricos del peso, el ángulo de colapso, los desplazamientos relativos en distintos puntos de la estructura y los mecanismos de colapso fueron muy similares a los registrados experimentalmente. Como caso de estudio, se evaluó numéricamente la sección de un muro de contención Inca de Sacsayhuamán, Cusco, frente a diversas acciones sísmicas. El modelo geométrico completo del muro de piedra se obtuvo mediante las rutinas de Python. El terreno contenido detrás del muro se representó por partículas de elementos discretos. Las propiedades del modelo numérico fueron tomadas de la campaña experimental y de calibración, y las frecuencias predominantes de la estructura se obtuvieron por medio del enfoque de vibraciones. Se verificó que la estructura puede soportar adecuadamente estos registros sísmicos escalados hasta una aceleración pico de 0.1 g; sin embargo, la estructura sufre desplazamientos remanentes considerables para registros escalados superiores o iguales a 0.2g. Se concluye que la metodología planteada permite evaluar las estructuras piedra de junta seca de una manera rigurosa, y así conocer si la estructura debe ser intervenida para asegurar su funcionalidad. Se espera que los resultados de esta tesis doctoral puedan contribuir al estudio de las construcciones patrimoniales de piedra, y abrir posibilidades de mejora de la metodología ante diversas configuraciones estructurales. / The study and the conservation of stone heritage is a global concern, mainly when these constructions are in seismic zones. Due to its great cultural and historical diversity, Peru has many stone constructions in different archaeological sites, covering different construction typologies. Unfortunately, many of these constructions have not yet been structurally evaluated, so their structural behaviour is unknown. In addition, there is no classification of the stone structural typologies (taxonomy), so the different characteristics of existing constructions are unknown. One way to study the nonlinear dynamic behaviour of these stone structures is to use a rigorous -but fast- numerical methodology to adequately reproduce the different failure mechanisms based on the dynamics of rigid bodies within the finite element method. Then, this work presents a taxonomic classification of prehispanic stone constructions in Peru, derived from a field study, as the first contribution. Based on this taxonomy, several archaeological sites in Puno and Cusco were classified, and the most common typologies of these regions were identified. The research also proposes novel algorithms developed in Python to obtain the geometric model of dry-joint stone structures using images taken by a camera, a mobile phone, or an existing photograph (including identification of stones and joints, named image segmentation). These routines allow the creation of a 3D model of each block (stone), assembling them, and exporting them to a finite element program for further evaluation. Regarding developing a numerical methodology, the dynamic of rigid bodies within the finite element method is proposed here. Each stone block is considered a rigid body interconnected with other blocks through nonlinear interfaces. This methodology was validated using Abaqus, based on the results of experimental tests developed in this thesis. The experimental campaign was carried out on three walls built with concrete blocks, simulating the geometry of the Inca structures. The walls were built on a tilting table and tested by rotating them out of the plane of the wall. Then, numerical models of the tests were developed by considering each stone as a rigid body and calibrating the contact properties to simulate the experimental behaviour correctly. The numerical results in weight, collapse angle, relative displacements at different points of the structure and collapse mechanisms were very similar to those obtained in the experimental campaign. As a case study, a section of an Inca stone wall from Sacsayhuaman, Cusco, was numerically evaluated using various seismic records. The complete geometric model of the stone wall was automatically obtained using the Python routines. Furthermore, discrete element particles represented the soil behind the wall. The properties of the numerical model were obtained from the experimental campaign, and the predominant frequencies of the structure were obtained using the vibration approach. As a result, the structure can adequately support these seismic records scaled up to a peak acceleration of 0.1g. However, it suffers significant residual displacements for scaled records greater than 0.2 g. The proposed numerical methodology allows the rigorous evaluation of dry-jointed stone structures, knowing if the structure should be intervened to ensure its functionality. Therefore, it is expected that the results of this research will be used to study other stone constructions, opening possibilities for improving the methodology for different structural configurations.

The biological example of vibrissa-type sensors in the animal realm is attributed with impressive sensing capabilities. A recently discovered ability is the surface discrimination task. Preceding research on the topic elaborated certain hypotheses for the functionality of the sensor. The scientific work is predominantly based on an empirical approach closely related to the biological example. Complex and highly nonlinear mechanical interrelations and tribological aspects of the contact frequently remain unconsidered. In the interplay between the properties of the biological example and the desired technical realization of the sensor concept, the present thesis incrementally develops a complex mechanical model. Its purely numerical treatment is based on the finite element method framed in the software package ANSYS. Following three modeling stages, the nonlinear structural model is successively implemented firstly enhancing the contact formulation and secondly including dynamic effects in the computation. The attributes of the biological example like elastic support, pre-curvature and conicity are incorporated and their effects are related to the desired sensor function. Beside the characteristic of the sensor system, elaborated through parameter studies, special emphasis is placed on the determination of the working range and its limiting borderlines as well as the uncovering of problematic aspects of the concept. The complex picture of the static behavior of the sensor system is complemented by a first dynamic calculation in close proximity to an experiment, which is conducted in parallel. The juxtaposition of the outcomes are interpreted and a proposal for a measurement strategy is outlined. / Tesis