Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1970. / Typescript. Vita. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 144-148).

Thesis--University of Florida. / Description based on print version record. Typescript. Vita. Bibliography: leaves 126-130.

Thesis--University of Oklahoma. / Bibliography: leaves 73-77.

Thesis (M. Eng.(Mechanical and aeronautical engineering))-University of Pretoria, 2005. / Includes bibliographical references. Available on the Internet via the World Wide Web.

A large number of bone fractures are treated with stabilisation devices that utilise metal wires or screws, which traverse the bone and are connected to an external frame or internal plate. Clinically, fixation devices are required to be able to: sustain loads; minimise patient discomfort and possible implant loosening; and promote healing. In the recent years locking plates have become increasingly popular for osteoporotic or complex fractures, which can be difficult to manage. It, however, remains unclear as to how these devices need to be configured for optimum clinical performance. This thesis investigates the mechanics of locking plates, factors that influence their performance and provides guidance to optimise the placement of screws. Finite element simulation and analytical models were developed and validated using lab-based experimental models. The local behaviour around the screw-bone interface is considered and the implications of different modelling assumptions assessed. A novel method of simulating the effect of radial interference due to pilot-hole size is proposed. Different screw types are evaluated: osteoporotic bone is found to be particularly susceptible to the screw tightening preload used in compression screws; far-cortical locking screws are found to slightly reduce device stiffness but substantially increase strain levels around screw holes. Finite element simulations show that many of the local effects, such as preloads and contact modelling, can profoundly influence the prediction of strains around screws but do not generally influence the global load-displacement behaviour; the screw-plate connection and bone/plate material and geometric properties are found to have an influence on global stiffness predictions. The key determinants of load-displacement behaviour evaluated through models are the loading and restraint conditions, which explain the huge range of stiffness predictions in the literature (three orders of magnitude). An analytical model based on 7 bone-plate construct parameters is developed. Despite its simplicity, the model is found to be able to predict the axial stiffness for experimental tests conducted and for 16 other cases from five previous studies with an average error of 20%. The manner of load application, not considered in the literature, is shown to dramatically alter predictions of plate stress, strains within the bone and conclusions regarding screw placement. Even with the inclusion of muscles forces, the choice of restraint condition dominates the mechanical behaviour. Using the models, the influence of screw position is systematically evaluated in varying bone qualities under axial loading and torsion and guidance for optimising fixation is developed.

Le travail concerne le comportement des plaques et coques soumises à des charges dynamiques dues à des explosions des mélanges gazeux. Des problèmes mécaniques d’apparition des fissures et d’endommagement ductile sont analysés. En introduction, la revue de la littérature a été présentée ainsi que les théories actuellement les plus souvent utilisées dans ce domaine. Une brève description des outils numériques qui ont servi dans l’étude a été également donnée. Les essais expérimentaux et les résultats des mesures ont été discutés dans la deuxième partie du mémoire. Ils ont permis d’identifier les paramètres matériels du modèle constitutif viscoplastique et d’endommagement nécessaires pour mener une analyse numérique du comportement des plaques, de faire la vérification des nombreuses simulations discutées à la fin du travail. Dans les conclusions, est présenté le bilan des modélisations en exposant surtout celles qui ont conduit à de meilleurs résultats.L’auteur discute les hypothèses utilisées, les limitations du modèle et esquisse desperspectives et l’évolution possible à l’avenir. / The work presents the investigation in the response of plate-shell structures subjected to impact loadings (gas mixture explosions). This phenomenon is studied in the context of its mechanical aspects, mainly the ductile fracture prediction. The work starts with the literature review and the description of theories, which are nowadays the most popular in the damage and fracture modelling. After selecting the theoretical models and the numerical tools for the further analysis, the detailed report of all realized experimental tests and their results ispresented. Then, for the assumed constitutive and damage laws, the identification of material and fracture criteria parameters is realized. Finally, the numerical simulations are performed and their results, verified by the experiments, are summarized and commented.The work finishes with the conclusions, where the best approaches (from those, which havebeen tested) are pointed, all assumptions or limitations used in the study are discussed and the objectives for the further research are indicated.

O alto índice de emissões gasosas tem impulsionado cada vez mais pesquisas com células a combustível com membrana trocadora de prótons (PEMFC), dispositivo eletroquímico capaz de produzir energia gerando apenas vapor de água como resíduo. Atualmente, entre os desafios que impossibilitam a popularização deste tipo de dispositivo estão o aperfeiçoamento da gestão da água e a diminuição dos índices de crossover de reagentes do ânodo para o cátodo. Este trabalho teve como meta utilizar a biomimética como ferramenta para criar novos designs de canais em placas de distribuição de reagentes, para melhor gestão da água e minimização do crossover do combustível em PEMFCs. Foram realizados experimentos em laboratório utilizando-se protótipos de PEMFC e experimentos computacionais de modelagem fluidodinâmica utilizando software SolidWorks. Pelos resultados constatou-se que a variação sincronizada da profundidade dos canais de fluxo em ambos os lados da placa bipolar possibilita minimizar a queda de pressão dos reagentes, sem a necessidade de aumento da espessura desta mantendo-se a densidade de potência do stack. Verificou-se que placas de distribuição de reagentes parcialmente interdigitadas são uma ferramenta eficaz no controle da umidade da célula durante a operação, evitando o uso de dispositivos periféricos para umidificação, e maior transferência de energia térmica entre placas e reagente. Numa célula a combustível alimentada com etanol sem periféricos para melhor balanço do decréscimo do crossover de etanol e remoção eficiente da água produzida no cátodo, a melhor combinação de placas de distribuição de reagentes foi obtida quando usado no ânodo uma placa com canais de distribuição de reagentes contínuos, e no cátodo uma placa com canais parcialmente interdigitados. Para melhor gestão da água, transferência de energia térmica e crossover em função do design dos canais de distribuição de reagentes nas placas bipolares, neste trabalho, foram propostas placas com canais de distribuição bioinspirados. O uso da biomimética mostrou ser uma abordagem diferenciada em busca da melhora de desempenho de PEMFCs. A biomimética possibilitou a criação de múltiplos subsistemas com características de autossimilaridade dentro de uma mesma estrutura física, e permitiu ampliar a proporção de área ativa do MEA, mantendo-se as mesmas dimensões das placas bipolares, através do uso de canais em fractais. As placas bipolares bioinspiradas propostas, tendo canais com configurações em fractais padronizadas, mostraram através de ensaios simulados serem altamente eficientes na gestão da água e do crossover. / The high gas emissions content has driving more attention on proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), an electrochemical device that generates energy producing only water vapor as waste. Among the challenges that reduces the use of this type of device are a better water management and the fuel crossover reduction. The aim of this work is the use of biomimetics as a tool to create new flow field plate designs for improving water management and minimizing fuel crossover in a PEMFC. A serie of lab experiments were carried out in a single PEMFC prototype and others computational fluid dynamic using SolidWorks. The results have shown that a synchronized variation in the depth of the flow field channels on both sides of a bipolar plate allows minimize the reagent pressure loss without increasing the plate thickness or decreasing the stack power density. The baffle flow field plates have shown be an effective tool for controlling the cell humidification operated without periphericals or humidifiers devices and for a better transferring thermal energy between the plate and reagent. For a better balance between ethanol crossover and efficient removal of water produced in a direct ethanol proton exchange membrane fuel cell without peripherals, the best flow field plate combination obtained was a continuous channels plate at the anode side, and partially discontinuous channels plate at the cathode. For a better water management, thermal energy transfer management and crossover management in this work, flow field plates with designs bioinspired were investigated. The biomimetic was a strong tool to optimizing the performance of PEMFC. The biomimetic has enabled the creation of numerous similar self-subsystems optimizing the MEA active area by using fractals channels without changing the bipolar plate dimensions. The bipolar plate’s bioinspired having configured channels in fractal standard showed through SolidWorks simulated experiments be highly efficient in controlling water or ethanol crossover in a PEMFC.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:36:09Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:59:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 03640.pdf: 2315648 bytes, checksum: 3e352de4928e7b2ab584e9544c03cb24 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

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O alto índice de emissões gasosas tem impulsionado cada vez mais pesquisas com células a combustível com membrana trocadora de prótons (PEMFC), dispositivo eletroquímico capaz de produzir energia gerando apenas vapor de água como resíduo. Atualmente, entre os desafios que impossibilitam a popularização deste tipo de dispositivo estão o aperfeiçoamento da gestão da água e a diminuição dos índices de crossover de reagentes do ânodo para o cátodo. Este trabalho teve como meta utilizar a biomimética como ferramenta para criar novos designs de canais em placas de distribuição de reagentes, para melhor gestão da água e minimização do crossover do combustível em PEMFCs. Foram realizados experimentos em laboratório utilizando-se protótipos de PEMFC e experimentos computacionais de modelagem fluidodinâmica utilizando software SolidWorks. Pelos resultados constatou-se que a variação sincronizada da profundidade dos canais de fluxo em ambos os lados da placa bipolar possibilita minimizar a queda de pressão dos reagentes, sem a necessidade de aumento da espessura desta mantendo-se a densidade de potência do stack. Verificou-se que placas de distribuição de reagentes parcialmente interdigitadas são uma ferramenta eficaz no controle da umidade da célula durante a operação, evitando o uso de dispositivos periféricos para umidificação, e maior transferência de energia térmica entre placas e reagente. Numa célula a combustível alimentada com etanol sem periféricos para melhor balanço do decréscimo do crossover de etanol e remoção eficiente da água produzida no cátodo, a melhor combinação de placas de distribuição de reagentes foi obtida quando usado no ânodo uma placa com canais de distribuição de reagentes contínuos, e no cátodo uma placa com canais parcialmente interdigitados. Para melhor gestão da água, transferência de energia térmica e crossover em função do design dos canais de distribuição de reagentes nas placas bipolares, neste trabalho, foram propostas placas com canais de distribuição bioinspirados. O uso da biomimética mostrou ser uma abordagem diferenciada em busca da melhora de desempenho de PEMFCs. A biomimética possibilitou a criação de múltiplos subsistemas com características de autossimilaridade dentro de uma mesma estrutura física, e permitiu ampliar a proporção de área ativa do MEA, mantendo-se as mesmas dimensões das placas bipolares, através do uso de canais em fractais. As placas bipolares bioinspiradas propostas, tendo canais com configurações em fractais padronizadas, mostraram através de ensaios simulados serem altamente eficientes na gestão da água e do crossover. / The high gas emissions content has driving more attention on proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), an electrochemical device that generates energy producing only water vapor as waste. Among the challenges that reduces the use of this type of device are a better water management and the fuel crossover reduction. The aim of this work is the use of biomimetics as a tool to create new flow field plate designs for improving water management and minimizing fuel crossover in a PEMFC. A serie of lab experiments were carried out in a single PEMFC prototype and others computational fluid dynamic using SolidWorks. The results have shown that a synchronized variation in the depth of the flow field channels on both sides of a bipolar plate allows minimize the reagent pressure loss without increasing the plate thickness or decreasing the stack power density. The baffle flow field plates have shown be an effective tool for controlling the cell humidification operated without periphericals or humidifiers devices and for a better transferring thermal energy between the plate and reagent. For a better balance between ethanol crossover and efficient removal of water produced in a direct ethanol proton exchange membrane fuel cell without peripherals, the best flow field plate combination obtained was a continuous channels plate at the anode side, and partially discontinuous channels plate at the cathode. For a better water management, thermal energy transfer management and crossover management in this work, flow field plates with designs bioinspired were investigated. The biomimetic was a strong tool to optimizing the performance of PEMFC. The biomimetic has enabled the creation of numerous similar self-subsystems optimizing the MEA active area by using fractals channels without changing the bipolar plate dimensions. The bipolar plate’s bioinspired having configured channels in fractal standard showed through SolidWorks simulated experiments be highly efficient in controlling water or ethanol crossover in a PEMFC.