Cálculo resistente del fuste y de la estructura portante de una antorcha en una refinería

Este TFG se centra en el dimensionado del fuste y la estructura portante de una antorcha en una refinería, junto con la comprobación de los elementos que la componen, todo ello siguiendo el Código Técnico de la Edificación y el Eurocódigo. Para su realización, se ha contado con el programa de cálculo Dlubal-RFEM, software tridimensional de análisis estructural de elementos finitos.<br /

Real-time simulation of surgery by Proper Generalized Decomposition techniques

La simulación quirúrgica por ordenador en tiempo real se ha convertido en una alternativa muy atractiva a los simuladores quirúrgicos tradicionales. Entre otras ventajas, los simuladores por ordenador consiguen ahorros importantes de tiempo y de costes de mantenimiento, y permiten que los estudiantes practiquen sus habilidades quirúrgicas en un entorno seguro tantas veces como sea necesario. Sin embargo, a pesar de las capacidades de los ordenadores actuales, la cirugía computacional sigue siendo un campo de investigación exigente. Uno de sus mayores retos es la alta velocidad a la que se tienen que resolver complejos problemas de mecánica de medios continuos para que los interfaces hápticos puedan proporcionar un sentido del tacto realista (en general, se necesitan velocidades de respuesta de 500-1000 Hz).Esta tesis presenta algunos métodos numéricos novedosos para la simulación interactiva de dos procedimientos quirúrgicos habituales: el corte y el rasgado (o desgarro) de tejidos blandos. El marco común de los métodos presentados es el uso de la Descomposición Propia Generalizada (PGD en inglés) para la generación de vademécums computacionales, esto es, metasoluciones generales de problemas paramétricos de altas dimensiones que se pueden evaluar a velocidades de respuesta compatibles con entornos hápticos.En el caso del corte, los vademécums computacionales se utilizan de forma conjunta con técnicas basadas en XFEM, mientras que la carga de cálculo se distribuye entre una etapa off-line (previa a la ejecución interactiva) y otra on-line (en tiempo de ejecución). Durante la fase off-line, para el órgano en cuestión se precalculan tanto un vademécum computacional para cualquier posición de una carga, como los desplazamientos producidos por un conjunto de cortes. Así, durante la etapa on-line, los resultados precalculados se combinan de la forma más adecuada para obtener en tiempo real la respuesta a las acciones dirigidas por el usuario. En cuanto al rasgado, a partir de una ecuación paramétrica basada en mecánica del daño continuo, se obtiene un vademécum computacional. La complejidad del modelo se reduce mediante técnicas de Descomposición Ortogonal Propia (POD en inglés), y el vademécum se incorpora a una formulación incremental explícita que se puede interpretar como una especie de integrador temporal.A modo de ejemplo, el método para el corte se aplica a la simulación de un procedimiento quirúrgico refractivo de la córnea conocido como queratotomía radial, mientras que el método para el rasgado se centra en la simulación de la colecistectomía laparoscópica (la extirpación de la vesícula biliar mediante laparoscopia). En ambos casos, los métodos implementados ofrecen excelentes resultados en términos de velocidades de respuesta y producen simulaciones muy realistas desde los puntos de vista visual y háptico.The real-time computer-based simulation of surgery has proven to be an appealing alternative to traditional surgical simulators. Amongst other advantages, computer-based simulators provide considerable savings on time and maintenance costs, and allow trainees to practice their surgical skills in a safe environment as often as necessary. However, in spite of the current computer capabilities, computational surgery continues to be a challenging field of research. One of its major issues is the high speed at which complex problems in continuum mechanics have to be solved so that haptic interfaces can render a realistic sense of touch (generally, feedback rates of 500–1 000 Hz are required). This thesis introduces some novel numerical methods for the interactive simulation of two usual surgical procedures: cutting and tearing of soft tissues. The common framework of the presented methods is the use of the Proper Generalised Decomposition (PGD) for the generation of computational vademecums, i. e. general meta-solutions of parametric high-dimensional problems that can be evaluated at feedback rates compatible with haptic environments. In the case of cutting, computational vademecums are used jointly with XFEM-based techniques, and the computing workload is distributed into an off-line and an on-line stage. During the off-line stage, both a computational vademecum for any position of a load and the displacements produced by a set of cuts are pre-computed for the organ under consideration. Thus, during the on-line stage, the pre-computed results are properly combined together to obtain in real-time the response to the actions driven by the user. Concerning tearing, a computational vademecum is obtained from a parametric equation based on continuum damage mechanics. The complexity of the model is reduced by Proper Orthogonal Decomposition (POD) techniques, and the vademecum is incorporated into an explicit incremental formulation that can be viewed as a sort of time integrator. By way of example, the cutting method is applied to the simulation of a corneal refractive surgical procedure known as radial keratotomy, whereas the tearing method focuses on the simulation of laparoscopic cholecystectomy (i. e. the removal of the gallbladder). In both cases, the implemented methods offer excellent performances in terms of feedback rates, and produce.<br /

Diseño y cálculo de una cubierta de barras y membranas tensadas para un estadio.

El objetivo del proyecto va a consistir en el diseño y el cálculo de una cubierta formada por barras y membranas tensadas localizada en un nuevo estadio que se va a construir en Madrid. Para ello se va a utilizar un software de análisis estructural mediante elementos finitos llamado RFEM de Dlubal. Mediante este programa se va realizar un modelado en 3D para posteriormente obtener la forma óptima de la membrana pretensada, y se va a llevar a cabo un estudio de la estructura con las diferentes hipótesis de carga que van a afectar a la cubierta. Finalmente se extraerán las conclusiones y se realizará una optimización de la estructura a partir de los resultados obtenidos en la simulación. Todo el análisis se hará de acuerdo al Código Técnico de la edificación (CTE) y al Eurocódigo 3 (EC3).<br /

Influencia de la naturaleza del fíller de aportación en la adhesividad árido-ligante para mezclas bituminosas discontínuas

Los requerimientos de seguridad al tránsito exigidos hoy en día a las superficies de rodamiento, han llevado a desarrollar materiales con características diferentes a los convencionales. La Mezcla Asfáltica Drenante (MAD) o Mezcla Asfáltica Porosa (MAP), es un material que ha sido desarrollado en esta línea de pensamiento. Este tipo de mezclas se caracterizan por tener un elevado porcentaje de huecos interconectados entre sí (16 a 25% o más, dependiendo del uso, habitualmente en capas de rodadura). Estos huecos permiten el paso del agua a través de la misma, favoreciendo su eliminación en la superficie del camino, y presentando una alta macrotextura y microtextura, ésta última como consecuencia de la calidad de los áridos usados. El diseño de estas mezclas presenta un compromiso entre su porosidad y su resistencia al desgaste. El equilibrio de estas propiedades trae como consecuencia una mezcla óptima, ya que al ser éstas contrapuestas, el aumento de la porosidad suele inducir una disminución de la resistencia al desgaste. Esta última es necesaria para que la capa no se desintegre y pueda responder satisfactoriamente a las solicitaciones del tránsito. En el presente proyecto se intenta participar de forma activa en la investigación de este tipo de mezclas para su posterior utilización en elementos de obras públicas ,como son las carreteras, mediante una serie de ensayos en el Laboratorio I+D del grupo constructor Mariano López Navarro, situado en la localidad de Bárboles (Zaragoza)

Caracterización y automatización del proceso de evaluación de soldaduras en chapas metálicas

El objetivo principal del proyecto es facilitar la labor actual del técnico de evaluación de soldaduras, mediante la automatización del proceso. Ésta se llevará a cabo gracias a Matlab, creando un código y posterior "app" que permita, con la carga de una imagen realizada al film impreso de la radiografía de la soldadura, la detección automática de qué densidad posee ese cordón soldado, viendo por tanto si es apto o no. Esta detección se realizará gracias a comparaciones con otras imágenes de densidad conocida, siempre tras la evaluación de las características de la fotografía subida.<br /

Simulated Reality: Physics-Based Mixed and Augmented Reality for Intelligence Augmentation

La realidad simulada es un nuevo paradigma que pretende que los ordenadores comprendan y reproduzcan los fenómenos físicos que sufren los objetos del entorno. Con fenómenos físicos nos referimos a la descripción estática y dinámica de los cambios que se producen a nuestro alrededor: objetos sólidos que se mueven, que se deforman, líquidos que fluyen o cambian de estado, gases que se dispersan, ondas electromagnéticas que sepropagan o incluso la interacción conjunta de todos los anteriores. Todo fenómeno que pueda simularse mediante computador tiene cabida dentro de la realidad simulada, que consiste en reproducir esas interacciones de manera virtual en el interior de un ordenador para ser posteriormente mostradas en tiempo real sobre el entorno. Este trabajo consiste en crear una herramienta centrada en la persona que permita a cualquier usuario observar el comportamiento de todos esos fenómenos físicos desde un punto de vista científico, es decir, aportando información acerca de deformaciones, tensiones, velocidades, caudales o intensidades mostrando sus valores concretos al mismo tiempo que están sucediendo.Se trata de brindar una información que el usuario no puede percibir directamente con sus sentidos (inteligencia aumentada), poniendo a su servicio una serie de herramientas que le permitan tomar decisiones con una mayor capacidad de conocimiento o simplemente observar los fenómenos dinámicos favoreciendo su comprensión.La herramienta propuesta requiere, en general, gran capacidad de cómputo para poder describir todos estos fenómenos. La simulación de los problemas físicos planteados suele demandar grandes recursos computacionales que están muy lejos de resolver dichos cálculos en tiempo real. Modelos complejos con no linealidades y fenómenos acoplados suelen aparecer en este tipo de problemas. Es por ello que empleamos técnicas de reducción de la dimensionalidad para poder reducir la complejidad de estos modelos y poder evaluarlos a la misma velocidad que suceden los fenómenos reales, lo que se conoce como asimilación de datos, para inmediatamente mostrar los resultados al usuario. Los métodosmás comunes de reducción de la dimensionalidad requieren de un preprocesado de los modelos, llevado a cabo de manera off-line, pero que permite una evaluación on-line que cumple con los requisitos temporales fijados. Este tipo de cálculos off-line suelen incluir soluciones multiparamétricas que abarcan un rango de valores amplio para poder emitir estimaciones físicamente consistentes en su posterior evaluación on-line. Además,los métodos de reducción de la dimensionalidad suelen buscar un nuevo espacio para representar dichos datos de manera optimizada, lo que se traduce en la compresión de los mismos para que ocupen menos espacio de almacenamiento, al mismo tiempo que permiten evaluaciones muy rápidas para unos valores paramétricos concretos. Para favorecer la absorción de toda esta cantidad de información por parte del usuarioempleamos herramientas de realidad mixta y dispositivos visuales. Mostramos la información creando secuencias de video aumentadas con la física que proviene de las simulaciones, permitiendo una visualización de los resultados interactiva y sencilla. Puesto que la comunicación se realiza mediante vía visual, tenemos una frecuencia de actualización de los datos impuesta entorno a 30-60 Hz, puesto que estas son las frecuencias de refresco estándar en las pantallas de los dispositivos.En esta tesis se ha desarrollado un entorno completo que engloba todas las partes necesarias para crear un sistema de realidad simulada, incluyendo desde nuevas metodologías en técnicas de reducción empleando proyecciones no lineales, la aplicación de métodos de reducción ya existentes sobre nuevos problemas físicos, la mejora en la interacción y visualización de datos o nuevas implementaciones para mejorar la captación de información mediante cámaras en ambientes dinámicos.Simulated reality is a new paradigm that allows computers to understand and reproduce the physical phenomena that occur in their environment. By physical phenomena we mean the static and dynamic description of the changes that happen around us: rigid body movements, solid objects that deform, liquids that flow or change their state, gases that disperse, electromagnetic waves that propagate or even the joint of all the previous effects. Any phenomenon that can be simulated by means of a computer has a place within simulated reality, which consists of reproducing these interactions in a virtual way (inside a computer) to be subsequently shown in real time to a user. Our work consists in creating a human-centered tool that allows the user to observe the behavior of all these physical phenomena from a scientific point of view, that is, perceiving information about stresses, strains, velocities, flow rates or intensities with their specific values at the same time they are happening. It is about providing information that the user cannot perceive directly with his senses (intelligence augmentation), putting to his service a series of tools that allow him to make decisions with a greater capacity of knowledge, or simply to observe the dynamic phenomena promoting higher comprehension. In general, the proposed tool requires a great capacity of computation to describe all these phenomena. The simulation of physical problems usually requires large computational resources that are far from solving the equations in real time. Complex models with non-linearities and coupled phenomena usually appear in this type of problems. This is why we use model order reduction techniques, to reduce the complexity of the models and evaluate them at the same speed as real phenomena using data assimilation procedures, to later show the results to the user. The most common methods of dimensionality reduction require to preprocess the solutions, carried out off-line, but allowing an on-line evaluation that meets time requirements. This type of off-line processing usually include multiparametric solutions that cover a wide range of solutions in order to create physically consistent estimations in the on-line evaluation. In addition, dimensionality reduction methods project the data to a new space that is, usually, more efficient, which translates into the compression of the data to reduce the storage space, at the same time very fast evaluations for specific parametric values are assured. In order to favour the assimilation of all this amount of information by the user, we use mixed reality tools and visual devices. We show the information by creating augmented video sequences with physical information coming from the simulations, allowing an interactive and simple visualization of the results. Since the communication is done by visual path, we are forced to work at a frequency around 30-60 Hz, since these are the standard refresh frequencies on the common devices. In this thesis a complete framework has been developed covering all the necessary pieces to create a simulated reality system, including new methodologies in model order reduction methods using non-linear projections, the application of existing order reduction methods on new physical problems, the use of artificial intelligence, the improvement in the interaction and visualization of data and new implementations to improve the visual acquisition process using standard cameras in dynamic environments.<br /

Real-Time simulation of surgery by model reduction and X-Fem techniques

Interactive (that with haptic feedback) simulation of surgery needs for increasingly fast simulation techniques. Feedback rates are nowadays fixed around 1 kHz for haptic peripherals and around 30Hz for visual display. Such tremendous rates impose very drastic limitations to the simulation procedure. In order to achieve haptic realism, several techniques have been tested in the literature. These include mass-spring systems, the use of linear elastic explicit finite element codes or, more recently, the use of Graphic Processing Units (GPU) to speedup the simulation. In any case, in order to achieve realistic results compatible with the sense of touch, large strains must be taken into account, together with sophisticated, state of the art constitutive models for the soft tissues. This has not been achieved to date, up to the author's knowledge. Techniques based on model order reduction (MOR) have received an increasing attention in the last years, and have been employed for interactive simulation of linear elastic solids undergoing large strains (Barbic and James, 2005). In this thesis, however, a study has been made in order to discern if MOR techniques are suitable for the simulation of soft living tissues. In chapter 2 a technique based upon Proper Orthogonal Decomposition (POD) has been employed to simulate at haptic rates the governing equations for a human cornea under a hyperelastic, fiber-reinforced constitutive model. While the technique is able to efficiently simulate these models, errors up to 20% have been noticed, still cceptable. In chapter 3 a novel technique has been developed that allows for an accurate solution of material and geometrical non-linear hyperelastic models without the need of stiffness matrix inversions. It is based upon the combination of POD techniques and Asymptotic Numerical Methods, which provide an accurate description of the nonlinear stress-strain curve of these organs in a convergence interval of sufficient width. Finally, the use of globally supported basis functions, an essential characteristic of POD techniques, very much complicates the task of simulating surgical cutting. To that end, a multiscale method has been developed that enriches the displacement field with an X-FEM-like, discontinuous, field that avoids the need of remeshing, impossible under such severe time restrictions

Simulación háptica en tiempo real de contacto entre sólidos deformables

El TFG desarrolla una aplicación para el contacto entre sólidos deformables en tiempo real, con input del usuario por parte de un brazo háptico, que permite devolver fuerzas al usuario como output. En su realización, se ha hecho uso de un "distance field", y para calcularlo ha tenido que desarrollarse un segundo programa