COLLECTIONS

Documents published in Scipedia

• Local and global approaches to Friction Stir Welding processes

  N. Dialami, M. Chiumenti, M. Cervera, C. Saracibar

  Monograph CIMNE (2016). M157

  
  

  Abstract

  This paper deals with the numerical simulation of Friction Stir Welding (FSW) processes. FSW techniques are used in many industrial applications and particularly in the aeronautic and aerospace industries, where the quality of the joining is of essential importance. The analysis is focused either at global level, considering the full component to be jointed, or locally, studying more in detail the heat affected zone (HAZ).The analysis at global (structural component) level is performed defining the problem in the Lagrangian setting while, at local level, an apropos kinematic framework which makes use of an efficient combination of Lagrangian (pin), Eulerian (metal sheet) and ALE (stirring zone) descriptions for the different computational sub-domains is introduced for the numerical modeling. As a result, the analysis can deal with complex (non-cylindrical) pin-shapes and the extremely large deformation of the material at the HAZ without requiring any remeshing or remapping tools.A fully coupled thermo-mechanical framework is proposed for the computational modeling of the FSW processes proposed both at local and global level. A staggered algorithm based on an isothermal fractional step method is introduced.To account for the isochoric behavior of the material when the temperature range is close to the melting point or due to the predominant deviatoric deformations induced by the visco-plastic response, a mixed finite element technology is introduced. The Variational Multi Scale (VMS) method is used to circumvent the LBB stability condition allowing the use of linear/linear P1/P1 interpolations for displacement (or velocity, ALE/Eulerian formulation) and pressure fields, respectively. The same stabilization strategy is adopted to tackle the instabilities of the temperature field, inherent characteristic of convective dominated problems (thermal analysis in ALE/Eulerian kinematic framework).At global level, the material behavior is characterized by a thermo-elasto- viscoplastic constitutive model. The analysis at local level is characterized by a rigid thermo-visco-plastic constitutive model. Different thermally coupled (non-Newtonian) fluid-like models as Norton-Hoff, Carreau or Sheppard-Wright, among others are tested.To better understand the material flow pattern in the stirring zone, a (Lagrangian based) particle tracing is carried out while post-processing FSW results.A coupling strategy between the analysis of the process zone nearby the pin-tool (local level analysis) and the simulation carried out for the entire structure to be welded (global level analysis) is implemented to accurately predict the temperature histories and, thereby, the residual stresses in FSW.

  Abstract
  This paper deals with the numerical simulation of Friction Stir Welding (FSW) processes. FSW techniques are used in many industrial applications and particularly in the aeronautic [...]

  • 170
  •  read

• Numerical simulation of fatigue processes. Application to steel and composite structures

  L. Barbu, S. Oller, X. Martínez, A. Barbat

  Monograph CIMNE (2016). M160

  
  

  Abstract

  The present work aims at advancing an innovative computational methodology that simulates steel and composite material fracture under cyclic loading following a phenomenological approach, with calibration from both small scale and large scale testing. This work addresses fatigue processes ranging from High Cycle to Ultra-Low-Cycle Fatigue. An assessment of the current state of the art is done for all the di erent fatigue types. Following, for Ultra-Low Cycle Fatigue a new constitutive law is proposed and validated with experimental results obtained on small scale samples. Industrial applications are shown for a large diameter straight pipe under monotonic loading conditions and for a bent pipe under cyclic loading. Emphasis is made on the capacity of the model to represent di erent failure modes depending on the loading conditions. The research regarding this part has been used in the frame of the European Project: \Ultra low cycle fatigue of steel under cyclic high-strain loading conditions" (ULCF). Regarding High Cycle Fatigue, a classic damage model is presented in combination with an automatic load advancing strategy that saves computational time when dealing with load histories of millions of cycles. Numerical examples are shown in order to demonstrate the capabilities of the advancing strategy and a validation of the model is done on small scale samples. A new constitutive model is presented for Low Cycle Fatigue that uses the classic plasticity and damage theories and simultaneously integrates both processes in the softening regime. The capabilities of the model are shown in numerical examples. Finally, the High Cycle Fatigue damage model is applied to the constituents of a composite material and the structural behaviour is obtained by means of the serial/parallel rule of mixtures. Validation of the constitutive formulation is done on pultruded glass ber reinforced polymer pro les.

  Abstract
  The present work aims at advancing an innovative computational methodology that simulates steel and composite material fracture under cyclic loading following a phenomenological [...]

  • 387
  •  read

• Unified Lagrangian formulation for fluid and solid mechanics, fluid-structure interaction and coupled thermal problems using the PFEM

  A. Franci, E. Oñate, J. Carbonell

  Monograph CIMNE (2015). M155

  
  

  Abstract

  The objective of this work is the derivation and implementation of a unified Finite Element formulation for the solution of fluid and solid mechanics, Fluid-Structure Inter- action (FSI) and coupled thermal problems. The unified procedure is based on a stabilized velocity-pressure Lagrangian formulation. Each time step increment is solved using a two-step Gauss-Seidel scheme: first the linear momentum equations are solved for the velocity increments, next the continuity equation is solved for the pressure in the updated configuration. The Particle Finite Element Method (PFEM) is used for the fluid domains, while the Finite Element Method (FEM) is employed for the solid ones. As a consequence, the domain is remeshed only in the parts occupied by the fluid. Linear shape functions are used for both the velocity and the pressure fields. In order to deal with the incompressibility of the materials, the formulation has been stabilized using an updated version of the Finite Calculus (FIC) method. The procedure has been derived for quasi-incompressible Newtonian fluids. In this work, the FIC stabilization procedure has been extended also to the analysis of quasi-incompressible hypoelastic solids. Specific attention has been given to the study of free surface flow problems. In particular, the mass preservation feature of the PFEM-FIC stabilized procedure has been deeply studied with the help of several numerical examples. Furthermore, the conditioning of the problem has been analyzed in detail describing the effect of the bulk modulus on the numerical scheme. A strategy based on the use of a pseudo bulk modulus for improving the conditioning of the linear system is also presented. The unified formulation has been validated by comparing its numerical results to ex- perimental tests and other numerical solutions for fluid and solid mechanics, and FSI problems. The convergence of the scheme has been also analyzed for most of the prob- lems presented. The unified formulation has been coupled with the heat tranfer problem using a staggered scheme. A simple algorithm for simulating phase change problems is also described. The numerical solution of several FSI problems involving the temperature is given. The thermal coupled scheme has been used successfully for the solution of an industrial problem. The objective of study was to analyze the damage of a nuclear power plant pressure vessel induced by a high viscous fluid at high temperature, the corium.  The numerical study of this industrial problem has been included in this work.

  Abstract
  The objective of this work is the derivation and implementation of a unified Finite Element formulation for the solution of fluid and solid mechanics, Fluid-Structure Inter- [...]

  • 271
  •  read

• Seismic protection of cable-stayed bridges applying fluid viscous dampers

  G. Valdebenito, A. Aparicio

  Monograph Series in Earthquake Engineering, editor A. H. Barbat (2010). MIS62, ISBN: 978-84-96736-84-9

  
  

  Abstract

  Earthquakes can be really destructive. There is no doubt. Recent seismic events have demonstrated the important effects on structures, and especially on bridges. In this sense, cable-stayed bridges are not an exception, although their seismic performance during recent events has been satisfactory. Their inherent condition as part of life-lines makes the seismic design and retrofitting of such structures be seriously considered.   Traditionally, seismic protection strategies have been based on provide enough strength and ductility. In the case of buildings or bridges with adequate supports and degrees of redundancy, that approach can be satisfactory, however, in the case of structures with few degrees of redundancy, or questionable ductility, that scheme could be inadequate, and worse, dangerous, as usually happens with cable-stayed bridges. All traditional modern strategies to design seismic structures are focused on the adequate comprehension of the mechanisms involved, in which ductility can be provided by some elements specially designed for these purposes. In these sense, strategies such as performed-based design or displacement-based design consider that well-designed structures need to dissipate enough energy by hysteresis in order to obtain economic and safe structures.   The incorporation of additional energy dissipation and isolation devices, by means of passive, active, semi-active and hybrid strategies, constitutes without doubt efficient schemes to protect structures controlling or avoiding damage, in which the energy dissipation is guaranteed through the action of external elements specially designed for those purposes. By this way, now it is possible to provide enough strength and energy dissipation capacity at the same time, avoiding damage on important structural elements, with the subsequent guaranty of the functionality, very important on life-lines, even during strong ground motions.   The present work constitutes an approach to the seismic protection of cable-stayed bridges including the incorporation of fluid viscous dampers as additional energy dissipation devices. The idea of the authors is to provide an up-to-date vision of the problem taking into account that long-period structures such as those proposed here, need to be adequately protected against strong motions, and considering that, because of their importance, an elastic behaviour is desirable. Chapter 1 describes the object to study in general terms. Chapter 2 constitutes a state-of-the-art review regarding the seismic behaviour and performance of fluid viscous dampers as external energy dissipation devices. The mechanical behaviour and technological aspects are now introduced with an energetic point of view, in which some practical applications are exposed and discussed. Chapter 3 describes the seismic response of cable-stayed bridges without external seismic protection, considering a parametric analysis in order to study the effects of the stay cable layout, stay spacing and deck level. A complete modal characterization is exposed, followed by a response spectrum analysis for comparative purposes. The effect of variations of the stay forces is analyzed, and finally, a nonlinear step-by-step analysis is performed for the critical structures, considering the velocity dependence of such bridges and the effects of far-fault and near-fault ground motions. The last Chapter exposes the seismic analysis of the selected structures including the incorporation of fluid viscous dampers as passive additional energy dissipation devices. Because of the inherent nonlinear behaviour of the structures and external devices, a mandatory nonlinear direct integration time-history analysis is performed for all the cases, in which parametric analyses are carried out in order to select the best damper parameters, and for the case of both far-fault and near-fault ground motions. In this part, comparative results are exposed with the aim to propose some practical recommendations.

  Abstract
  Earthquakes can be really destructive. There is no doubt. Recent seismic events have demonstrated the important effects on structures, and especially on bridges. In this sense, [...]

  • 536
  •  read

• Evaluación rápida de la deriva máxima de piso para calcular la vulnerabilidad sísmica de estructuras

  R. Aguiar

  Monograph Series in Earthquake Engineering, editor A. H. Barbat (2006). MIS57, ISBN: 84-95999-91-9

  
  

  Abstract

  En la última década se han desarrollado importantes investigaciones en los Estados Unidos de Norte América, para evaluar en forma rápida la vulnerabilidad sísmica de las estructuras, a partir del cálculo de la deriva máxima de piso. Estas investigaciones han sido efectuadas en base a sismos registrados fundamentalmente en el área de California y teniendo en cuenta los materiales y sistemas constructivos que ahí utilizan. Para todos es conocido, que la peligrosidad sísmica del Estado de California es diferente de la peligrosidad sísmica de América del Sur y algo similar se puede indicar con respecto a los materiales y sistemas constructivos. Por este motivo es que la Escuela Superior Politécnica del Ejército ESPE, Ecuador, apoyó la realización del proyecto de investigación científica, denominado: “Evaluación rápida de la deriva máxima de piso para evaluar la vulnerabilidad sísmica de estructuras de Hormigón Armado”. En esta investigación se obtienen relaciones entre el desplazamiento máximo inelástico con respecto al desplazamiento máximo elástico, de sistemas de un grado de libertad, pero a partir de sismos registrados en: Colombia, Ecuador, Perú, Argentina y Chile. En ninguno de los países indicados se cuenta con suficientes acelerogramas, de eventos sísmicos cuya aceleración máxima del suelo sea mayor al 10% de la aceleración de la gravedad,  que permitan tener una muestra bastante confiable a partir del cual se pueda realizan un estudio estadístico pero al trabajar en conjunto se tuvo 63 registros, que es un número considerable. De igual manera se encuentran relaciones entre la deriva máxima de piso con respecto a la deriva global del edificio pero trabajando con materiales y sistemas estructurales de Ecuador. Para el efecto se han considerado edificios de hormigón armado de uno a seis pisos de alto, conformados por vigas de poco peralte y columnas, sin muros de corte. Este tipo de construcción, que son bastante flexibles, también se las encuentra en países vecinos. Uno de los objetivos de la investigación era mostrar mediante la elaboración de curvas de fragilidad que las construcciones bajas, de uno a seis pisos, que se están realizando en buena parte del Ecuador responden a un nivel de diseño sísmico bajo que no está acorde con la alta peligrosidad sísmica del País caracterizada por una aceleración máxima del suelo en roca del 40% de la aceleración de la gravedad. Se presentan dos metodologías de cálculo para encontrar la deriva máxima de piso, en la que los parámetros que intervienen en su formulación han sido obtenidos en base a registros de Sur América y a sistemas constructivos de Ecuador. La bondad de estas metodologías se ha comprobado, comparando con los resultados que se obtienen del análisis no lineal, paso a paso de más de mil resultados, hallando una muy buena correlación en los resultados medios. En la segunda metodología se halla la deriva máxima de piso, a partir del análisis lineal elástico multiplicando por un parámetro de corrección; esta metodología puede ser aplicable cuando se tengan pocos edificios a evaluar. En cambio la primera metodología que contempla cinco parámetros es aplicable a un gran número de edificios, si se tienen muy pocas estructuras la incertidumbre es alta.

  Abstract
  En la última década se han desarrollado importantes investigaciones en los Estados Unidos de Norte América, para evaluar en forma rápida la vulnerabilidad [...]

  • 4788
  •  read

• Factor de reducción de las fuerzas sísmicas en edificios de hormigón armado sin muros de corte

  R. Aguiar

  Monograph Series in Earthquake Engineering, editor A. H. Barbat (2007). IS58, ISBN: 978-84-96736-40-7

  
  

  Abstract

  En los Países Desarrollados existen comités de normas que se encuentran trabajando en forma continua, esto se debe a que día a día existen nuevos conocimientos generados por los centros de investigación de las universidades, fundamentalmente. Es así como en estos Países aparecen nuevos códigos cada cierto período regular de tiempo. De tal manera que una normativa o código tiene un número determinado de años de vigencia y luego es obsoleto. Con estas ideas como base y pensando en un futuro Código Ecuatoriano de la Construcción se desarrolló el proyecto: “Factor de reducción de las fuerzas sísmicas”, financiado por la Escuela Politécnica del Ejército. En este proyecto se obtuvo el factor de reducción de las fuerzas sísmicas, con el cual se pasa del Espectro Elástico al Inelástico, en edificios de hormigón armado conformado por vigas y columnas sin muros de corte. Es decir en una sola tipología estructural pero que tiene gran demanda. El objetivo principal fue contribuir a una futura Normativa Sísmica de Ecuador, contribuir a quienes están estudiando y calculando edificios en Ibero América, para que conozcan la parte cuantitativa del factor de reducción de las fuerzas sísmicas ya que en algunas normativas se presentan los valores de R para algunas tipologías estructurales y muy poco o nada se comentan sobre ellas y esto es muy crítico ya que se puede estar subestimando la acción sísmica por una elección inadecuada del factor R. En este libro se verá que el factor R depende del período de vibración, del tipo se suelo, de la ductilidad local de sus elementos, de la deriva de piso máxima permitida, de la forma como se obtiene esa deriva máxima de piso en el rango no lineal, del índice de estabilidad de piso, de la capacidad de ductilidad, de la sobre resistencia y de la redundancia. Son muchos los factores que están relacionados con R y que deberán ser revisados en futuras normativas sísmicas para que no existan inconsistencias.

  Abstract
  En los Países Desarrollados existen comités de normas que se encuentran trabajando en forma continua, esto se debe a que día a día existen nuevos [...]

  • 2401
  •  read

• Nuevo concepto de puente de vigas hinchables ligero, modular y portátil

  C. Estruch, E. Oñate, B. Suárez, J. Marcipar

  Monograph CIMNE (2016). M164

  
  

  Abstract

  En la presente tesis doctoral se propone desarrollar, construir y validar experimentalmente un nuevo Concepto de Puente de Vigas Hinchables Ligero, Modular y Portátil (PVH-LMP) para el transporte en superficie de vehículos, que utiliza como elemento básico estructural para aguantar las cargas vigas hinchadas con aire a baja presión fabricadas con tejidos compuestos de altas prestaciones. A pesar de las características prometedoras del concepto, este tipo de vigas todavía no han llegado al mercado, y están limitadas a usos académicos y en grupos de investigación lejos del sector industrial productivo. Prototipos a escala de PVH-LMP, utilizando gran variedad de tejidos comerciales, han sido construidos por Buildair en los últimos años y usados para demostrar la viabilidad del concepto de dichas vigas. Con el fin de alcanzar estos objetivos, el trabajo desarrollado en esta tesis se ha llevado a cabo en diversas fases: En la primera fase (capítulo 2) se analiza el estado del arte en lo referente a estructuras hinchables, así como las alternativas utilizadas actualmente como puentes portátiles de despliegue rápido, comparadas con la propuesta actual. En una segunda fase (capítulo 3) se estudia en profundidad el concepto estructural Tensairity a través de las referencias previas para poder adaptarlo al diseño del PVH-LMP. Asimismo se han estudiado las posibles normativas aplicables para esta tipología de estructuras. A partir de las conclusiones obtenidas en las dos primeras fases, en la tercera fase (capítulo 4) se lleva a cabo un estudio y selección de alternativas de diseño, así como un cuidado estudio de los materiales, teniendo en cuenta todos los requisitos que se deben cumplir. Con los requisitos claros, la cuarta fase (capítulo 5) se realizan algunos ensayos previos mediante pequeños prototipos a escala para validar experimentalmente los conceptos adquiridos en las fases anteriores, así como el software de cálculo a utilizar. Posteriormente se elabora un prediseño y cálculo de la estructura antes de obtener el diseño constructivo final con sus planos y demás elementos constructivos asociados. Como colofón del proceso se fabrica y valida experimentalmente un prototipo a escala real de una viga de PVH-LMP de 14 metros de longitud capaz de resistir el paso de vehículos de hasta 30 toneladas de peso. Tras los ensayos de esta primera viga, gracias al conocimiento adquirido se ha procedido a la elaboración de un rediseño y fabricación de un segundo prototipo de viga de PVH-LMP, la cual ha sido también testeada. Por último se han estudiado aspectos de operatividad transportando y montando el prototipo de PVH-LMP en un evento real de demostración. La quinta fase de esta tesis (capítulo 6) ha sido dedicada a analizar las perspectivas industriales de este tipo particular de puentes a través de un pequeño estudio de mercado, análisis coste-beneficio y estudio de viabilidad económica en comparación con las principales soluciones alternativas actuales. En una última fase (capítulo 8) se ha revisado todo el trabajo hecho identificando los aspectos a mejorar con el fin de adaptar el prototipo de PVH-LMP para su futura comercialización y uso en situaciones prácticas reales.

  Abstract
  En la presente tesis doctoral se propone desarrollar, construir y validar experimentalmente un nuevo Concepto de Puente de Vigas Hinchables Ligero, Modular y Portátil [...]

  • 995
  •  read

• Una metodología numérica sin malla para la resolución de las ecuaciones de elasticidad mediante el método de puntos finitos

  F. Perazzo, E. Oñate, J. Miquel

  Monograph CIMNE (2003). M81

  
  

  Abstract

  Las principales aportaciones de la tesis se pueden circunscribir a los siguientes ámbitos: Por un lado explicar y desarrollar la formulación del MPF para su utilización en problemas de la elasticidad lineal de sólidos. Hasta la fecha no se contaba con un análisis completo de la formulación del método, además no se contaba con un código que permitiese evaluar la respuesta del método en problemas 2D de tensión plana y deformación plana. Se ha propuesto una técnica para paliar las deficiencias de trabajar con una aproximación expresada en coordenadas globales. Para esto se adimensionaliza la base de interpolación por medio de la máxima distancia al nodo estrella en la nube. Adicionalmente se comprueba la calidad de la aproximación evaluando el número de condición de la matriz de momentos y evaluando las derivadas de la función de forma. Por otro lado el desarrollo y comprobación de una técnica para implementar adecuadamente las condiciones de contorno bajo un esquema de colocación puntual. Tal como se ha podido comprobar el método es sensible a la ubicación de los puntos de colocación en el dominio, sobre todo en problemas con bajo número de puntos. Sin embargo, para aprovechar las ventajas que ofrece la técnica de colocación en los métodos sin malla, se ha debido desarrollar una técnica, similar a una estabilización, para mejorar la aproximación. Para esto se ha utilizado, de forma original, la técnica del Cálculo Finitesimal. Adicionalmente, la formulación del problema estático y dinámico mediante el MPF, permitirá enfrentar con éxito futuros desarrollos del método, puesto que para realizar la interpolación local y la generación de nubes ya se cuenta inicialmente con los códigos que se han implementado para esta tesis.

  Abstract
  Las principales aportaciones de la tesis se pueden circunscribir a los siguientes ámbitos: Por un lado explicar y desarrollar la formulación del MPF [...]

  • 553
  •  read

• A particle finite element method for analysis of industrial forming processes

  E. Oñate, A. Franci, J. Carbonell

  (2014). Research Report, Nº PI406

  
  

  Abstract

  We present a generalized Lagrangian formulation for analysis of industrial forming processes involving thermally coupled interactions between deformable continua. The governing equations for the deformable bodies are written in a unified manner that holds both for fluids and solids. The success of the formulation lays on  a  residual-based  expression of the mass conservation equation obtained using the Finite Calculus (FIC) method that provides the necessary stability for quasi/fully incompressible situations. The  governing equations are discretized with the FEM via a mixed formulation using simplicial elements with equal linear interpolation for the velocities, the pressure and the temperature. The merits of the formulation  are demonstrated in the solution of 2D and 3D thermally-coupled forming processes using the Particle Finite Element Method (PFEM).

  Abstract
  We present a generalized Lagrangian formulation for analysis of industrial forming processes involving thermally coupled interactions between deformable continua. The governing [...]

  • 34
  •  read