Optimization-based design of a heat flux concentrator

To gain control over the diffusive heat flux in a given domain, one needs to engineer a thermal metamaterial with a specific distribution of the generally anisotropic thermal conductivity throughout the domain. Until now, the appropriate conductivity distribution was usually determined using transformation thermodynamics. By this way, only a few particular cases of heat flux control in simple domains having simple boundary conditions were studied. Thermal metamaterials based on optimization algorithm provides superior properties compared to those using the previous methods. As a more general approach, we propose to define the heat control problem as an optimization problem where we minimize the error in guiding the heat flux in a given way, taking as design variables the parameters that define the variable microstructure of the metamaterial. In the present study we numerically demonstrate the ability to manipulate heat flux by designing a device to concentrate the thermal energy to its center without disturbing the temperature profile outside it.Peer ReviewedPostprint (published version

Control of heat flux using computationally designed metamaterials

To gain control over the diffusive heat flux in a given domain, one has to design metamaterials with a specifc distribution of the generally anisotropic thermal conductivity throughout the domain. Until now, the appropriate conductivity distribution was usually determined using transformation thermodynamics. By this way, only a few particular cases of heat flux control in simple domains having simple boundary conditions were studied. As a more general approach, we propose to define the heat control problem as an optimization problem where we minimize the error in guiding the heat flux in a given way, taking as design variables the parameters that define the variable microstructure of the metamaterial. Anisotropic conductivity is introduced by using a metamaterial made of layers of two materials with highly dfferent conductivities, the thickness of the layers and their orientation throughout the domain are the current design variables. As an application example we design a device that thermally shields the region it encloses, while it keeps unchanged the flux outside it.Preprin

Diseño de metamateriales térmicos considerando fabricabilidad

Los metamateriales térmicos basados en optimización poseen propiedades superiores comparados con aquellos obtenidos mediante termodinámica de transformación. Para manipular el flujo de calor es necesario que estos materiales posean anisotropía en su conductividad térmica efectiva. En el presente trabajo se define el problema de manipulación de flujo como un problema de optimización, en donde se minimiza el error en guiar el flujo de calor de una forma determinada, y se toman como variables de diseño ciertos parámetros que definen la distribución de material. Para facilitar la fabricación de los dispositivos así diseñados, el material en cada punto es seleccionado de un conjunto predefinido de metamateriales. Cada material candidato es un laminado de materiales con alta diferencia de conductividad, por lo tanto, se lo puede considerar como un metamaterial con gran anisotropía en su conductividad térmica efectiva. Utilizando el método de optimización discreta de material (ODM) la fracción de cada material en cada elemento finito de la malla se define como función de una variable continua, la cual es en definitiva la variable de diseño. ODM fuerza que la fraccion de cada candidato tienda a cero o uno enla solución óptima. Se demuestra numéricamente la habilidad para manipular el flujo de calor diseñando un dispositivo para concentrar la energía térmica en el centro del mismo.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.30Facultad de Ingenierí

Optimización multiescala de sólidos elásticos con microestructuras celulares bioinspiradas

Los avances en la ingeniería de tejidos impulsan el desarrollo de los sustitutos óseos sintéticos, cuyas microestructuras deben satisfacer las prestaciones mecánicas, de permeabilidad y morfológicas que le imponen las funciones de soporte estructural, osteogénesis, osteoinducción y osteoconducción. Como un primer paso en esta dirección, se presenta en este trabajo una herramienta de optimización jerárquica multiescala para maximizar la rigidez de un sólido en la escala macro mediante el ajuste de los parámetros que describen su microestructura –inspirada en la del hueso trabecular– punto a punto sobre el dominio de optimización. Para esto se combinan el esquema de análisis de sensibilidad multiescala propuesto por Fachinotti et al. (Int J Solids Struct, 69-70:45-59 (2015)) y la micro arquitectura celular parametrizada propuesta por Kowalczyk (Comput Methods Biomech Biomed Eng, 9(3):135–147 (2006)). Este esquema permite el cálculo previo (optimización off-line) de la base de datos que caracteriza el comportamiento del material en la microescala, con lo que se reducen el costo computacional del posterior análisis de optimización. Para definir la microestructura se requiere de la optimización de cuatro parámetros geométricos que determinan la geometría de la microestructura y tres parámetros que determinan su orientación espacial; la densidad (fracción de volumen sólido de la microestructura) se impone como restricción. El desempeño y eficacia de la herramienta se estudia para una serie de problemas de evaluación estándar (benchmarks), los que fueron resueltos mediante diferentes algoritmos de optimización. Se encontró que el algoritmo de Punto Interior produce los mejores resultados. Finalmente se resuelve un problema que tiene por objetivo replicar la microestructura trabecular natural para un modelo de la geometría de una cabeza de fémur sometida a cargas fisiológicas normales. Los resultados son comparados en términos de densidad, orientación de las trabéculas y propiedades elásticas.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 24Facultad de Ingenierí

Optimización multiobjetivo de la eficiencia energética de edificios basada en metamodelos

La optimización de la eficiencia energética de edificios, que involucra múltiples objetivos, es generalmente un proceso computacionalmente costoso. Este trabajo propone un método de optimización multiobjetivo mediante la combinación del algoritmo genético multiojetivo NSGA-II y un metamodelo (modelo de un modelo). Donde este último es una red neuronal artificial entrenada con los resultados de simulaciones para una muestra representativa del espacio de las variables de diseño. La simulaciones energéticas de los edificios se realizan mediante el programa EnergyPlus. El trabajo se focaliza en una novedosa metodología para determinar el muestreo adecuado, tanto en tamaño como en calidad, con el fin de obtener resultados precisos de optimización con el mínimo número de simulaciones posibles. Finalmente la metodología es aplicada a la optimización multiobjetivo del diseño de una vivienda unifamiliar localizada en la región Litoral Argentina. Los resultados indican que la metodología propuesta presenta una forma simple y efectiva de obtener resultados de optimización precisos para problemas multiobjetivos de la eficiencia energética de edificios.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.30Facultad de Ingenierí

Generación del año meteorológico típico para la ciudad de La Plata, Argentina

El presente artículo es el resultado de un trabajo interdisciplinario y se realizó en el marco de las tesis doctorales de Bre (Mecánica Computacional) y García Santa Cruz (Arquitectura). El objetivo es la generación del año meteorológico típico (TMY) para la ciudad de La Plata en Argentina, sobre la base de los datos meteorológicos medidos por el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) durante el período 1996-2016 y tiene como antecedentes los trabajos desarrollados por Bre y Fachinotti (2014; 2016) para la generación de los TMY de la ciudad de Santa Fe y de otras 14 localidades de la Región Litoral de Argentina. Se parte de las bases de datos meteorológicas proporcionadas por el SMN que contienen la temperatura de bulbo seco, temperatura de punto de rocío, temperatura de bulbo húmedo, dirección del viento, velocidad del viento, presión, humedad relativa, nubosidad total, altura del techo de nubes, precipitaciones, entre otras, medidas normalmente sobre una base horaria. Debido a que el SMN no cuenta con mediciones de radiación solar, esta variable es generada utilizando el modelo de radiación de Zhang-Huang calibrado para Paraná, localidad con clima Cfa como el de la ciudad de La Plata. Se define el TMY como una concatenación de 12 meses meteorológicos típicos (TMM), siguiendo el clásico método Sandia (Hall y otros, 1978). La tipicidad de un mes dentro de la base de datos se mide utilizando estadística de Finkelstein-Schafer aplicada a nueve índices. Como contribución de este trabajo a la simulación energética de edificios, se convirtió el TMY aquí generado al formato .epw requerido por EnergyPlus.The current article is the result of a interdisciplinary work done in the frameworks of the doctorate thesis of Bre (Computational Mechanics) and García Santa Cruz (Architecture). The goal is to generate the typical meteorological year (TMY) for La Plata city in Argentina, based on weather data measured by the Argentine Meteorological Service (SMN) during the period 1996-2016, and on the previous works of Bre and Fachinotti (2014; 2016) for the generation of TMY for Santa Fe and other 14 locations in the Argentine Littoral Region. The starting point are the weather databases from SMN, containing dry-bulb temperature, dew point temperature, wet-bulb temperature, wind direction and speed, pressure, relative humidity, total sky cover, ceiling height, precipitations, among others, normally measured on a hourly basis. Since SMN does not measure radiation, this variable is obtained using the Zhang-Huang radiation model, as it was calibrated to Paraná city, a location with Cfa climate like La Plata. The TMY is defined as the concatenation of 12 typical meteorological months (TMM), following the classical Sandia method (Hall et al., 1978). The typicality of a month in the database is measured using Finkelstein-Schafer statistics applied to nine daily indices. In order to contribute to building energy simulation, the currently generated TMY was converted to the .epw format required by EnergyPlus.Facultad de Bellas Arte

Generación del año meteorológico típico para la ciudad de La Plata, Argentina

El presente artículo es el resultado de un trabajo interdisciplinario y se realizó en el marco de las tesis doctorales de Bre (Mecánica Computacional) y García Santa Cruz (Arquitectura). El objetivo es la generación del año meteorológico típico (TMY) para la ciudad de La Plata en Argentina, sobre la base de los datos meteorológicos medidos por el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) durante el período 1996-2016 y tiene como antecedentes los trabajos desarrollados por Bre y Fachinotti (2014; 2016) para la generación de los TMY de la ciudad de Santa Fe y de otras 14 localidades de la Región Litoral de Argentina. Se parte de las bases de datos meteorológicas proporcionadas por el SMN que contienen la temperatura de bulbo seco, temperatura de punto de rocío, temperatura de bulbo húmedo, dirección del viento, velocidad del viento, presión, humedad relativa, nubosidad total, altura del techo de nubes, precipitaciones, entre otras, medidas normalmente sobre una base horaria. Debido a que el SMN no cuenta con mediciones de radiación solar, esta variable es generada utilizando el modelo de radiación de Zhang-Huang calibrado para Paraná, localidad con clima Cfa como el de la ciudad de La Plata. Se define el TMY como una concatenación de 12 meses meteorológicos típicos (TMM), siguiendo el clásico método Sandia (Hall y otros, 1978). La tipicidad de un mes dentro de la base de datos se mide utilizando estadística de Finkelstein-Schafer aplicada a nueve índices. Como contribución de este trabajo a la simulación energética de edificios, se convirtió el TMY aquí generado al formato .epw requerido por EnergyPlus.The current article is the result of a interdisciplinary work done in the frameworks of the doctorate thesis of Bre (Computational Mechanics) and García Santa Cruz (Architecture). The goal is to generate the typical meteorological year (TMY) for La Plata city in Argentina, based on weather data measured by the Argentine Meteorological Service (SMN) during the period 1996-2016, and on the previous works of Bre and Fachinotti (2014; 2016) for the generation of TMY for Santa Fe and other 14 locations in the Argentine Littoral Region. The starting point are the weather databases from SMN, containing dry-bulb temperature, dew point temperature, wet-bulb temperature, wind direction and speed, pressure, relative humidity, total sky cover, ceiling height, precipitations, among others, normally measured on a hourly basis. Since SMN does not measure radiation, this variable is obtained using the Zhang-Huang radiation model, as it was calibrated to Paraná city, a location with Cfa climate like La Plata. The TMY is defined as the concatenation of 12 typical meteorological months (TMM), following the classical Sandia method (Hall et al., 1978). The typicality of a month in the database is measured using Finkelstein-Schafer statistics applied to nine daily indices. In order to contribute to building energy simulation, the currently generated TMY was converted to the .epw format required by EnergyPlus.Facultad de Bellas Arte

Optimización del material laminado compuesto en álabes de turbinas eólicas mediante algoritmos genéticos y redes neuronales

En la fabricación de álabes para turbinas eólicas con materiales laminados compuestos, la determinación de la cantidad de capas y el ordenamiento de fibras de refuerzo suele ser un problema iterativo; muchas veces resuelto por prueba y error, insumiendo una gran cantidad de tiempo. Este problema fue resuelto por los autores a través de una metodología de optimización basada en simulación que combinaba algoritmos genéticos con elementos finitos inversos (IFEM) para evaluar la respuesta estructural de los álabes. Proponemos aquí una mejora a dicha metodología, mediante el reemplazo de IFEM por un metamodelo basado en redes neuronales, lo que permite reducir de manera importante el costo computacional. Como ejemplo de aplicación, se han rediseñado los álabes de una turbina de 40KW, logrando reducciones del peso del orden del 20 % comparado a un diseño de referencia, cumpliendo simultáneamente con todas las restricciones de diseño.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV no.30Facultad de Ingenierí

Generación del año meteorológico típico para la ciudad de La Plata, Argentina

El presente artículo es el resultado de un trabajo interdisciplinario y se realizó en el marco de las tesis doctorales de Bre (Mecánica Computacional) y García Santa Cruz (Arquitectura). El objetivo es la generación del año meteorológico típico (TMY) para la ciudad de La Plata en Argentina, sobre la base de los datos meteorológicos medidos por el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) durante el período 1996-2016 y tiene como antecedentes los trabajos desarrollados por Bre y Fachinotti (2014; 2016) para la generación de los TMY de la ciudad de Santa Fe y de otras 14 localidades de la Región Litoral de Argentina. Se parte de las bases de datos meteorológicas proporcionadas por el SMN que contienen la temperatura de bulbo seco, temperatura de punto de rocío, temperatura de bulbo húmedo, dirección del viento, velocidad del viento, presión, humedad relativa, nubosidad total, altura del techo de nubes, precipitaciones, entre otras, medidas normalmente sobre una base horaria. Debido a que el SMN no cuenta con mediciones de radiación solar, esta variable es generada utilizando el modelo de radiación de Zhang-Huang calibrado para Paraná, localidad con clima Cfa como el de la ciudad de La Plata. Se define el TMY como una concatenación de 12 meses meteorológicos típicos (TMM), siguiendo el clásico método Sandia (Hall y otros, 1978). La tipicidad de un mes dentro de la base de datos se mide utilizando estadística de Finkelstein-Schafer aplicada a nueve índices. Como contribución de este trabajo a la simulación energética de edificios, se convirtió el TMY aquí generado al formato .epw requerido por EnergyPlus.The current article is the result of a interdisciplinary work done in the frameworks of the doctorate thesis of Bre (Computational Mechanics) and García Santa Cruz (Architecture). The goal is to generate the typical meteorological year (TMY) for La Plata city in Argentina, based on weather data measured by the Argentine Meteorological Service (SMN) during the period 1996-2016, and on the previous works of Bre and Fachinotti (2014; 2016) for the generation of TMY for Santa Fe and other 14 locations in the Argentine Littoral Region. The starting point are the weather databases from SMN, containing dry-bulb temperature, dew point temperature, wet-bulb temperature, wind direction and speed, pressure, relative humidity, total sky cover, ceiling height, precipitations, among others, normally measured on a hourly basis. Since SMN does not measure radiation, this variable is obtained using the Zhang-Huang radiation model, as it was calibrated to Paraná city, a location with Cfa climate like La Plata. The TMY is defined as the concatenation of 12 typical meteorological months (TMM), following the classical Sandia method (Hall et al., 1978). The typicality of a month in the database is measured using Finkelstein-Schafer statistics applied to nine daily indices. In order to contribute to building energy simulation, the currently generated TMY was converted to the .epw format required by EnergyPlus.Facultad de Bellas Arte

Sensitivity of the thermomechanical response of elastic structures to microstructural changes

This paper is focused on the analysis of the sensitivity of the thermomechanical response of a macroscopic elastic body to changes that occur at the microstructure. This problem is a key issue in material design. The sensitivity analysis relies on an accurate determination of the effective properties of the heterogeneous material. These effective properties are determined by computational homogenization. And their sensitivities, with respect to the parameters defining the microstructure, are then computed. For an efficient evaluation of the thermomechanical response, we propose to build response surfaces for the effective material properties. The surfaces are generated in an offline stage, by solving a series of homogenization problems at the microscale. In such a way, the fully online multiscale response analysis reduces to a standard problem at the macroscale. Thus, an important reduction in computational time is achieved, which is a crucial advantage for material design. The capability of the proposed methodology is shown in light of its application to the design of a thermally-loaded structure with variable microstructure. Considerable improvements in the structural response are achieved.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft