SIMVIR: Un simulador de memoria virtual para microordenadores

RESUMEN Se presenta en este articulo la descripción, fundamentos y forma de utilización de un conjunto de subrutinas, escritas en FORTRAN 77, cuya misión es la de simular el efecto de memoria virtual de grandes ordenadores en aquellos que no la posean, esencialmente microordenadores. El objetivo fundamental es olvidar las limitaciones de memoria principal que se presentan en programas de gran tamaño, mediante una gestión automática y transparente al usuario de la memoria auxiliar, a través de ficheros de acceso directo.Peer Reviewe

On the use of the Bingham statistical distribution in microsphere-based constitutive models for arterial tissue

Constitutive models for arterial tissue have been an active research field during the last years. The main micro-constituents of blood vessels are different types of cells and the extra-cellular matrix formed by an isotropic high water content ground substance and a network composed of elastin and collagen fibres. Usually the arterial tissue has been modelled as a hyperelastic material within the framework of continuum mechanics, whereas inclusion of structural tensors into constitutive laws is the most widely used technique to introduce the anisotropy induced by the fibres. Though the different existing fibre bundles present a clear preferential direction, the dispersion inherent to biological tissue advices using of constitutive models including representative structural information associated to the spatial probabilistic distribution of the fibres. Lately, microsphere-based models have demonstrated to be a powerful tool to incorporate this information. The fibre dispersion is incorporated by means of an Orientation Density Function (ODF) that weights the contribution of each fibre in each direction of the micro-sphere. In previous works the rotationally symmetric von Mises ODF was successfully applied to the modelling of blood vessels. In this study, the inclusion of the Bingham ODF into microsphere-based model is analysed. This ODF exhibits some advantages with respect to the von Mises one, like a greater versatility and a comparable response to simple tension and equibiaxial tension tests.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimización de secciones ortotropas sometidas a torsión mediante el método de los elementos de contorno

El propósito dellpresente trabajo es la: resolución del problema de optimización de forma de secciones ortótropas, simple y simplemente conexas, sometidas a torsión de Saint-Venant, mediante el método de los elementos de contorno. La función objetivo es el área de la sección, mientras que la única restricción corresponde a una rigidez torsional especificada. Se detalla el algoritmo utilizado para resolver el problema de optimización no lineal resultante, así como los diferentes criterios utilizados para conseguir una redefinición automática de la malla entre dos iteraciones consecutivas. Por último, se incluye una breve descripción del programa desarrollado y varios ejemplos.The aiin of this paper is the solution of the shape optimization problem for simply and multiply-connected orthotropic sections under Saint-Venant torsion by using the Boundary Element Method. The objective function is the area of the section, while the only constraint corresponds to a given torsional stiffness. The nonlinear optimization algorithm is also discussed, so they are the different criteria used to get a consistent and automatic boundary redefinition looking for a ininimum number of iterations in the optimization process. Finaliy, a brief description of the program and severa1 examples are also included.Peer Reviewe

An anisotropic microsphere-based approach for fiber orientation adaptation in soft tissue

Evolutionary processes in biological tissue, such as adaptation or remodeling, represent an enterprising area of research. In this paper, we present a multiscale model for the remodeling of fibered structures, such as bundles of collagen fibrils. With this aim, we introduce a von Mises statistical distribution function to account for the directional dispersion of the fibrils, and we remodel the underlying fibrils by changing their orientation. To numerically compute this process, we make use of the microsphere approach, which provides a useful multiscale tool for homogenizing the microstructure behavior, related to the fibrils of the bundle, in the macroscale of the problem. The results show how the fibrils respond to the stimulus by reorientation of their structure. This process leads to a stiffer material eventually reaching a stationary state. These results are in agreement with those reported in the literature, and they characterize the adaptation of biological tissue to external stimuli.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Hierarchical micro-adaptation of biological structures by mechanical stimuli

Remodeling and other evolving processes such as growth or morphogenesis are key factors in the evolution of biological tissue in response to both external and internal epigenetic stimuli. Based on the description of these processes provided by Taber, 1995 and Humphrey et al., 2002 for three important adaptation processes, remodeling, morphogenesis and growth (positive and negative), we shall consider the latter as the increase/decrease of mass via the increase/decrease of the number or size of cells, leading to a change in the volume of the organ. The work of Rodriguez et al. (1994) used the concept of natural configuration previously introduced by Skalak et al. (1982) to formulate volumetric growth. Later, Humphrey et al. (2002) proposed a constrained-mixture theory where changes in the density and mass of different constituents were taken into account. Many other works about biological growth have been presented in recent years, see e.g. Imatani and Maugin, 2002, Garikipati et al., 2004, Gleason and Humphrey, 2004, Menzel, 2004, Amar et al., 2005, Ganghoffer et al., 2005, Ateshian, 2007, Goriely et al., 2007, Kuhl et al., 2007, Ganghoffer, 2010a, Ganghoffer, 2010b and Goktepe et al., 2010. Morphogenesis is associated to changes in the structure shape (Taber, 1995 and Taber, 2009) while remodeling denotes changes in the tissue microstructure via the reorganization of the existing constituents or the synthesis of new ones with negligible volume change. All these processes involve changes in material properties. Although remodeling and growth can, and usually do, occur simultaneously, there are some cases where these processes develop in a decoupled way. For example, Stopak and Harris (1982) reported some experimental results showing remodeling driven by fibroblasts, with no volume growth. We will assume this scenario in this contribution, focusing exclusively on remodeling processes and on the reorientation of fibered biological structures. It is well known that biological tissue remodels itself when driven by a given stimulus, e.g. mechanical loads such as an increase in blood pressure, or changes in the chemical environment that control the signaling processes and the overall evolution of the tissue. Biological remodeling can occur in any kind of biological tissue. In particular, the study of collagen as the most important substance to be remodeled, in all its types (preferentiallyPeer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimización de secciones ortotropas sometidas a torsión mediante el método de los elementos de contorno

El propósito dellpresente trabajo es la: resolución del problema de optimización de forma de secciones ortótropas, simple y simplemente conexas, sometidas a torsión de Saint-Venant, mediante el método de los elementos de contorno. La función objetivo es el área de la sección, mientras que la única restricción corresponde a una rigidez torsional especificada. Se detalla el algoritmo utilizado para resolver el problema de optimización no lineal resultante, así como los diferentes criterios utilizados para conseguir una redefinición automática de la malla entre dos iteraciones consecutivas. Por último, se incluye una breve descripción del programa desarrollado y varios ejemplos.The aiin of this paper is the solution of the shape optimization problem for simply and multiply-connected orthotropic sections under Saint-Venant torsion by using the Boundary Element Method. The objective function is the area of the section, while the only constraint corresponds to a given torsional stiffness. The nonlinear optimization algorithm is also discussed, so they are the different criteria used to get a consistent and automatic boundary redefinition looking for a ininimum number of iterations in the optimization process. Finaliy, a brief description of the program and severa1 examples are also included.Peer Reviewe

Anisotropic microsphere-based approach to damage in soft fibered tissue

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s10237-011-0336-9An anisotropic damage model for soft fibered tissue is presented in this paper, using a multi-scale scheme and focusing on the directionally dependent behavior of these materials. For this purpose, a micro-structural or, more precisely, a microsphere-based approach is used to model the contribution of the fibers. The link between micro-structural contribution and macroscopic response is achieved by means of computational homogenization, involving numerical integration over the surface of the unit sphere. In order to deal with the distribution of the fibrils within the fiber, a von Mises probability function is incorporated, and the mechanical (phenomenological) behavior of the fibrils is defined by an exponential-type model. We will restrict ourselves to affine deformations of the network, neglecting any cross-link between fibrils and sliding between fibers and the surrounding ground matrix. Damage in the fiber bundles is introduced through a thermodynamic formulation, which is directly included in the hyperelastic model. When the fibers are stretched far from their natural state, they become damaged. The damage increases gradually due to the progressive failure of the fibrils that make up such a structure. This model has been implemented in a finite element code, and different boundary value problems are solved and discussed herein in order to test the model features. Finally, a clinical application with the material behavior obtained from actual experimental data is also presented.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimización de formas en elasticidad bidimensional en medios homogéneos mediante el método de los elementos de contorno

En este trabajo se aborda el problema de la optimización de forma de sólidos elásticos bidimensionales, considerando material isótropo u ortótropo, de cara a obtener una distribución de tensiones lo más uniforme posible en zonas del contorno especificadas. Para ello se calcula la tensión de Von Mises en la zona del contorno a optimizar, y a partir de ésta y de la tensión de referencia especificada se define la función objetivo. Como restricción se impone que el área del sólido en cuestión sea igual a un valor prefijado, aunque se contempla también la posibilidad de que no haya restricciones. Se detalla igualmente el algoritmo utilizado para resolver el problema de optimización no lineal resultante, incluyendo por último algunos ejemplos que ponen de manifiesto la validez de la formulación presentada.Peer Reviewe

Evaluación de las integrales singulares del M.E.C. tridimensional mediante transformaciones no lineales

Se presenta en este trabajo una técnica para la evaluación de las integrales singulares que aparecen en el Método de los Elementos de Contorno en Elasticidad tridimensional, basada en la utilización de transformaciones de coordenadas no lineales, tales como las utilizadas en el caso bidimensional.Peer Reviewe

Teoría de plasticidad: conceptos generales

La Teoría de Plasticidad es el nombre con que se designa a_ la disciplina de la Física que estudia el estado de un cuerpo deformado irreversiblemente, constituyendo la continuación de la bien establecida "Teoría de la Elasticidad". La Teoría de Plasticidad tiene como punto de partida los resultados experimentales sobre el comportamiento macroscópico de materiales sometidos a deformación, principalmente metales, y como objetivos fundamentales de la Teoría: primero, proveer de una descripción de las relaciones tensión-deformación para un material que se encuentra en estado elastoplástico, que explique en la forma mas aproximada posible los resultados experimentales, y segundo desarrollar técnicas de solución para la consecución de la distribución de tensiones en cuerpos permanentemente deformados. En definitiva, el comportamiento plástico de un material está caracterizado por una deformación, en parte irreversible, independiente del tiempo, que comienza a plantearse sólo cuando se ha - conseguido un cierto "nivel de tensión" determinado, nivel que puede variar con el estado de deformación inicial del material, de acuerdo con los resultados experimentales (efecto Bauschinger y endurecimiento por deformación). De acuerdo con ello, en general, son necesarios cuatro requisitos para la formación de una teoría que modele la deformación elastoplástica. Estos son: 1) .- Unas relaciones explícitas entre cargas, tensiones, deformaciones y movimientos que describan el comportamiento del material bajo condiciones elásticas, es decir antes del comienzo de la deformación,plástica. Estas relaciones se plantearán en el primer capítulo. 2) .- Un criterio de plastificación que defina los límites del comportamiento elástico, indicando el nivel de tensión a partir del cual comienza el flujo plástico. Algunos de estos criterios y su definición matemática se plantearán en el capítulo II. 3) .- Una relación entre tensión y deformación después del comienzo del flujo plástico, es decir cuando las deformaciones tienen ambas componentes,elástica y plástica. Este será el objeto del capítulo III. 4).- Un criterio de endurecimiento por deformación que defina la variación de la tensión de límite elástico. Varios de estos criterios se verán en los capítulos IV y V. Una vez establecida la Teoría se realizarán una serie de aplicaciones importantes a materiales especiales como son el suelo (capítulo VII) y hormigón (capítulo VIII), para terminar con el estudio de algunos métodos de resolución de problemas plásticos con ordenador (F.E.M y B.I.E.M) en los últimos capítulos. Citaremos a continuación, muy brevemente, las hipótesis que se plantean en las teorías de plasticidad más comunes, y que se tendrán en cuenta a partir de ahora, siempre que específicamente no se indique lo contrario. a).- Isotropía del material: Las propiedades de éste no varían con la dirección; b) .- Incompresibilidad debido a las dsformaciones plásticas: No hay cambio de volumen como consecuencia de las deformaciones plásticas; e).- Las deformaciones elásticas son pequeñas comparadas con las deformaciones plásticas. Por último, y a título de comentario, diremos que en realidad es absolutamente falso el referirse a "la" Teoría de la Plasticidad, ya que existen varias de estas teorías, y más aún, una multiplicidad enorme en la forma de aplicarlas a los distintos problemas. En cuanto a la resolución de problemas en régimen plástico, y si bien hasta hace relativamente poco tiempo la forma usual de resolver problemas de este tipo era a través de la teoría de líneas de deslizamiento, ya hoy se han desarrollado una gran cantidad de técnicas numéricas, encaminadas a la resolución de problemas con ordenador, siendo naturalmente, ésta última línea más moderna la que se seguirá en los siguientes capítulos. Para empezar, se dará una breve reseña histórica del desarrollo de las teorías de plasticidad, para pasar en el resto del capítulo, a recordar la forma, que para el medio contínuo ideal, tienen las leyes del movimiento, así como los artificios que permiten hablar de esfuerzos interiores al medio en estudio y fijar su solución espacio-temporal, para un material elástico, como una introducción fundamental al estado plástico, y que al mismo tiempo puede servir como índice de la notación a utilizar en el resto