Resistencia de vigas esbeltas de acero inoxidable bajo cargas concentradas mediante elementos finitos

El uso de acero inoxidable en estructuras ha cobrado fuerza en los últimos años debido a su gran relación costo-beneficio en el tiempo, brindando una gran protección a la corrosión, resistencia al fuego y una resistencia a la fluencia mayor que la brindada por los aceros estructurales de uso común en la industria. A pesar de este incremento en su uso todavía existe cierto grado de incertidumbre y desconocimiento de sus aplicaciones, pues los códigos de diseño de acero enfocan su atención en el acero estructural. Por lo tanto, en el presente trabajo se reportan los resultados del estudio numérico de vigas esbeltas de acero inoxidable utilizado en puentes, sometidos a carga concentrada con el objeto de aumentar el estado del arte de esta aplicación en particular. Un modelo por elementos finitos es construido tomando en cuenta el comportamiento no lineal del material y las imperfecciones iniciales (deflexiones en el alma y esfuerzos residuales). El modelo es validado utilizando data experimental encontrada en la literatura, empleando el software comercial MSC.Marc. Posteriormente se realiza un estudio paramétrico de la influencia de la relación de espesores (tf / tw) y relación de zona de carga - largo de viga (ss/a) en la resistencia última. Finalmente, se obtiene que el uso del acero inoxidable presenta ventajas en su comportamiento post-crítico respecto a paneles geométricamente similares de acero estructural, permitiendo la optimización estructural de vigas esbeltas para puentes.The use of stainless steel in structures has gained momentum in recent years due to its good cost-benefit over time, protection to corrosion, fire resistance and creep resistance greater than that provided by structural steel commonly used in industry. Despite this increase in use there is still some degree of uncertainty and lack of knowledge regarding their application, as steel design codes focus on structural steel. Therefore, the present work reports the results of the numerical study of thin stainless steel beams used in bridges, subjected to concentrated loads, in order to increase the state of the art of this particular application. A finite element model is constructed taking into account the non-linear behavior of the material and the initial imperfections (deflections in the web and residual stresses). The model is validated using experimental data found in the literature, using commercial software MSC.Marc. Then, a parametric study of the influence of the thickness ratio (tf / tw) and load area – length of beam ratio (ss / a) on the ultimate strength is performed. Finally, it is obtained that the use of the stainless steel presents advantages in its post-critical behavior with respect to geometrically similar panels of structural steel, allowing the structural optimization of slender beams for bridges

Resistencia de vigas esbeltas de acero inoxidable bajo cargas concentradas mediante elementos finitos

El uso de acero inoxidable en estructuras ha cobrado fuerza en los últimos años debido a su gran relación costo-beneficio en el tiempo, brindando una gran protección a la corrosión, resistencia al fuego y una resistencia a la fluencia mayor que la brindada por los aceros estructurales de uso común en la industria. A pesar de este incremento en su uso todavía existe cierto grado de incertidumbre y desconocimiento de sus aplicaciones, pues los códigos de diseño de acero enfocan su atención en el acero estructural. Por lo tanto, en el presente trabajo se reportan los resultados del estudio numérico de vigas esbeltas de acero inoxidable utilizado en puentes, sometidos a carga concentrada con el objeto de aumentar el estado del arte de esta aplicación en particular. Un modelo por elementos finitos es construido tomando en cuenta el comportamiento no lineal del material y las imperfecciones iniciales (deflexiones en el alma y esfuerzos residuales). El modelo es validado utilizando data experimental encontrada en la literatura, empleando el software comercial MSC.Marc. Posteriormente se realiza un estudio paramétrico de la influencia de la relación de espesores (tf / tw) y relación de zona de carga - largo de viga (ss/a) en la resistencia última. Finalmente, se obtiene que el uso del acero inoxidable presenta ventajas en su comportamiento post-crítico respecto a paneles geométricamente similares de acero estructural, permitiendo la optimización estructural de vigas esbeltas para puentes.The use of stainless steel in structures has gained momentum in recent years due to its good cost-benefit over time, protection to corrosion, fire resistance and creep resistance greater than that provided by structural steel commonly used in industry. Despite this increase in use there is still some degree of uncertainty and lack of knowledge regarding their application, as steel design codes focus on structural steel. Therefore, the present work reports the results of the numerical study of thin stainless steel beams used in bridges, subjected to concentrated loads, in order to increase the state of the art of this particular application. A finite element model is constructed taking into account the non-linear behavior of the material and the initial imperfections (deflections in the web and residual stresses). The model is validated using experimental data found in the literature, using commercial software MSC.Marc. Then, a parametric study of the influence of the thickness ratio (tf / tw) and load area – length of beam ratio (ss / a) on the ultimate strength is performed. Finally, it is obtained that the use of the stainless steel presents advantages in its post-critical behavior with respect to geometrically similar panels of structural steel, allowing the structural optimization of slender beams for bridges

Estudio del comportamiento mecánico de tuberías de material compuesto para el transporte de hidrocarburos por elementos finitos

Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería CMN2017Valencia, 3-5 julio, 2017International audienceRecientemente, diferentes tipos de tuberías de material compuesto se han empleado con éxito en los campos de petróleo y gas, debido a que sus propiedades mecánicas resultan muy atractivas, en especial su relación peso/resistencia y su resistencia a la corrosión [1]. Otras características como facilidad de instalación, alta durabilidad y facilidad de mantenimiento las hacen más deseables que las tuberías de acero. Diferentes estudios sobre las propiedades mecánicas y ensayos de laboratorio han sido llevados a cabo para su caracterización [2], [3]. En este trabajo se investiga la caracterización del comportamiento mecánico de la tubería compuesta Fiberspar [4, 5] por medio de análisis por elementos finitos (FEA), con el fin de estudiar la integridad estructural de tuberías compuestas para el transporte de petróleo. Se realizaron ensayos de laboratorio de acuerdo con la norma ASTM D2290 con el objetivo de determinar la resistencia a la tensión y comparar los resultados con el modelo numérico. Se utilizaron los criterios de fallo de Tsai-Wu y Tsai-Hill para la tubería trabajando a diferentes presiones, incluyendo la presión operacional, determinando valores para el fallo e identificando la respuesta mecánica en las capas críticas

Métodos para tratar el daño en materiales compuestos, una aplicación a tuberías. Methods for treating damage in composite materials, an application to pipes

International audienceLos materiales compuestos exhiben numerosas formas de mecanismos de daño [1] entre los que se encuentran rotura de fibras, delaminación, grietas en la matriz, decohesión de la interfaz fibra-matriz, etc. En la actualidad se tienen dos enfoques para lidiar con el daño y su influencia en la respuesta mecánica de la estructura, dependiendo de la escala: microdaño y el macrodaño (también llamado mecánica del daño continuo) [2]. El presente trabajo es una revisión de los dos métodos numéricos para el modelamiento del daño y su conveniencia para la aplicación en tuberías multicapa de fibra de vidrio con matriz epóxica. El microdaño se basa en la micromecánica, donde se usa un elemento de volumen representativo (RVE) [3] para después homogenizar la respuesta de ese elemento y tratar la estructura como un continuo. La micromecánica tiene la ventaja de que es posible obtener la respuesta de cualquier estructura en forma numérica, basada únicamente en los parámetros de los constituyentes individuales. Su desventaja es que es difícil simular la distribución aleatoria de las propiedades y de la geometría en el RVE. La mecánica del daño continuo consiste en tratar el daño en función de variables de estado continuas como el daño, la plasticidad y las fuerzas termodinámicas asociadas [4]. Requiere de parámetros de iniciación y evolución de daño. Su ventaja es que trabaja con valores obtenidos experimentalmente, lo que produce resultados cercanos a la realidad. Sin embargo, dependiendo del modelo, no se pueden tener en cuenta todos los mecanismos de daño y la obtención de parámetros se dificulta en los modelos más exactos, debido a su número. Finalmente se presenta el análisis del daño en una tubería multicapa usando la formulación de mecánica del daño continuo, formulación escogida debido a la facilidad de implementación en el software de elementos finitos y su madurez respecto a los modelos establecidos [5]–[7

Caracterización mecánica de materiales compuestos de fabricación aditiva

Additive Manufacturing is a novel manufacturing method in which the part is produced layer by layer from a 3D CAD model. In this work, we present the mechanical characterization of Fusion Deposition Modeling (FDM). Composite parts made by a nylon matrix with two kinds of fiber reinforcements: carbon fiber or fiberglass. From the obtained microstructure, we perform a division of the composite part in regions, and individual stiffness matrices are encountered by either using a linear elastic isotropic model, for the case of solid matrix filling, or an orthotropic linear elastic model based on micromechanical results. Then, a volume average stiffness method is employed to perform the characterization of the whole part. The theoretical results are compared with the experimental data, showing good agreement for both cases. This research allows the prediction of the structural behavior of additive manufacturing 2composite parts.La manufactura aditiva es un método de fabricación reciente en el que la pieza se produce capa por capa a partir de un modelo CAD 3D. En este trabajo, presentamos la caracterización mecánica del Fusion Deposition Modeling (FDM) aplicada a partes compuestas hechas por una matriz de nailon con dos tipos de refuerzos de fibra: fibra de carbono o fibra de vidrio. A partir de la microestructura obtenida, se realiza una división de la parte compuesta en regiones, y se encuentran matrices de rigidez individuales utilizando un modelo isotrópico elástico lineal, para el caso de relleno de matriz sólida, o un modelo elástico ortotrópico lineal basado en resultados micromecánicos. Luego, se emplea un método de rigidez promedio de volumen para realizar la caracterización de la parte completa. Los resultados teóricos se comparan con los datos experimentales, mostrando una buena concordancia en ambos casos. Esta investigación permite la predicción del comportamiento estructural de las piezas compuestas de fabricación aditiva

CyberKnife Robotic-Assisted Stereotactic Radiosurgery for Advanced Stages of Ciliochoroidal Uveal Melanoma. Preliminary Results in Mexico

Objective: The objective of this study was to report the early results of CyberKnife® (CK®) stereotactic radiosurgery in advanced stages of ciliochoroidal (CBCh) melanoma in Mexican patients. Methods: A retrospective review of charts was performed to analyze the outcomes of patients who underwent CK® (Accuray Inc, Sunnyvale, CA, United States). Results: Four patients with CBCh melanoma were treated under this protocol. The mean age was 53.2 ± 5.3 years (range, 47-60). Median of follow-up was 9.5 ± 3.1 months (range, 5-12). Mean tumor diameter was 13.49 mm, mean thickness, 11.74 mm, and mean gross tumor volume was 1251.97 mm3. Tumors were dome- (50%) and mushroom-shaped (50%) in medium-to-large sizes. Three patients had T3b tumors, and one had a T4d tumor at the early tumor staging according to the American Joint Committee on Cancer. A mean dose of 2763 ± 181.3 cGy was prescribed to the 90% isodose line. All patients achieved local tumor control after single-session radiosurgery at the latest follow-up. One patient presented with acute toxicity (extensive serous retinal detachment associated with radiation induced tumor vasculopathy) that was promptly managed. None of the patients required secondary enucleation. Conclusions: CK® appears to be an effective therapy for medium to large-sized CBCh melanoma. A prospective comparative study with longer follow-up is needed to confirm these findings and to evaluate long-term morbidity

Efficient recovery-based error estimation for the smoothed finite element method for smooth and singular linear elasticity

[EN] An error control technique aimed to assess the quality of smoothed finite element approximations is presented in this paper. Finite element techniques based on strain smoothing appeared in 2007 were shown to provide significant advantages compared to conventional finite element approximations. In particular, a widely cited strength of such methods is improved accuracy for the same computational cost. Yet, few attempts have been made to directly assess the quality of the results obtained during the simulation by evaluating an estimate of the discretization error. Here we propose a recovery type error estimator based on an enhanced recovery technique. The salient features of the recovery are: enforcement of local equilibrium and, for singular problems a ¿smooth + singular¿ decomposition of the recovered stress. We evaluate the proposed estimator on a number of test cases from linear elastic structural mechanics and obtain efficient error estimations whose effectivities, both at local and global levels, are improved compared to recovery procedures not implementing these features.Stephane Bordas would like to thank the partial financial support of the Royal Academy of Engineering and of the Leverhulme Trust for his Senior Research Fellowship Towards the next generation surgical simulators as well as the financial support for Octavio A. Gonzalez-Estrada and Stephane Bordas from the UK Engineering Physical Science Research Council (EPSRC) under grant EP/G042705/1 Increased Reliability for Industrially Relevant Automatic Crack Growth Simulation with the eXtended Finite Element Method. Stephane Bordas also thanks partial financial support of the European Research Council Starting Independent Research Grant (ERC Stg grant agreement No. 279578) and the FP7 Initial Training Network Funding under grant number 289361 "Integrating Numerical Simulation and Geometric Design Technology, INSIST". This work has been carried out within the framework of the research project DPI2010-20542 of the Ministerio de Ciencia e Innovacion (Spain). The financial support from Universitat Politecnica de Valencia, PROMETEO/2012/023 and Generalitat Valenciana are also acknowledged.González Estrada, OA.; Natarajan, S.; J.J. Ródenas; Nguyen-Xuan, H.; Bordas, S. (2013). Efficient recovery-based error estimation for the smoothed finite element method for smooth and singular linear elasticity. Computational Mechanics. 52(1):37-52. https://doi.org/10.1007/s00466-012-0795-6S3752521Liu GR, Dai KY, Nguyen TT (2006) A smoothed finite element method for mechanics problems. Comput Mech 39(6): 859–877. doi: 10.1007/s00466-006-0075-4Liu GR, Nguyen TT, Dai KY, Lam KY (2007) Theoretical aspects of the smoothed finite element method (SFEM). Int J Numer Methods Eng 71(8): 902–930Nguyen-Xuan H, Bordas SPA, Nguyen-Dang H (2008) Smooth finite element methods: convergence, accuracy and properties. Int J Numer Methods Eng 74(2): 175–208. doi: 10.1002/nmeBordas SPA, Natarajan S (2010) On the approximation in the smoothed finite element method (SFEM). Int J Numer Methods Eng 81(5): 660–670. doi: 10.1002/nmeZhang HH, Liu SJ, Li LX (2008) On the smoothed finite element method. Int J Numer Methods Eng 76(8): 1285–1295. doi: 10.1002/nme.2460Nguyen-Thoi T, Liu G, Lam K, Zhang G. (2009) A face-based smoothed finite element method (FS-FEM) for 3D linear and nonlinear solid mechanics using 4-node tetrahedral elements. Int J Numer Methods Eng 78: 324–353Liu G, Nguyen-Thoi T, Lam K (2009) An edge-based smoothed finite element method (ES-FEM) for static, free and forced vibration analyses of solids. J Sound Vib 320: 1100–1130Liu G, Nguyen-Thoi T, Nguyen-Xuan H, Lam K (2009) A node based smoothed finite element method (NS-FEM) for upper bound solution to solid mechanics problems. Comput Struct 87: 14–26Liu G. Smoothed Finite Element Methods. CRC Press, 2010Liu G, Nguyen-Xuan H, Nguyen-Thoi T (2010) A theoretical study on the smoothed FEM (SFEM) models: Properties, accuracy and convergence rates. Int J Numer Methods Biomed Eng 84: 1222–1256Nguyen T, Liu G, Dai K, Lam K (2007) smoothed finite element method. Tsinghua Sci Technol 12: 497–508Hung NX, Bordas S, Hung N (2009) Addressing volumetric locking and instabilities by selective integration in smoothed finite element. 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Int J Numer Methods Eng 60: 861–890Zienkiewicz OC, Zhu JZ (1992) The superconvergent patch recovery and a posteriori error estimates. Part 1: The recovery technique. Int J Numer Methods Eng 33(7): 1331–1364Zienkiewicz OC, Zhu JZ (1992) The superconvergent patch recovery and a posteriori error estimates. Part 2: Error estimates and adaptivity. Int J Numer Methods Eng 33(7): 1365–1382Wiberg NE, Abdulwahab F (1993) Patch recovery based on superconvergent derivatives and eóuilibrium. Int J Numer Methods Eng 36(16): 2703–2724. doi: 10.1002/nme.1620361603Blacker T, Belytschko T (1994) Superconvergent patch recovery with eóuilibrium and conjoint interpolant enhancements. Int J Numer Methods Eng 37(3): 517–536Stein E, Ramm E, Rannacher R (2003) Error-controlled adaptive finite elements in solid mechanics. Wiley, ChichesterDuflot M, Bordas SPA (2008) A posteriori error estimation for extended finite elements by an extended global recovery. 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Evaluación de las propiedades tribológicas de materiales compuestos de matriz metálica (MMCs) procesados por técnicas de fabricación aditiva con haz láser (SLM)

International audienceThe mechanical and tribological properties of steel matrix composites (316L stainless steel reinforced with Cr3C2 ceramic particles) were investigated. The steel matrix composites (SMC) with three reinforcing percentages (3, 6, and 9 wt.%) were manufactured by Additive Manufacturing technologies (SLM: Selective Laser Melting). The wear behaviour was studied by using a pin-on-disk wear test at room temperature. The worn surface was analysed using Scanning Electron Microscopy (SEM). The results indicated that the friction coefficient does not have a clear tendency or direct correlation with the reinforcement variation while the wear rate decreases with increasing content of reinforcement. The better properties combination were achieved with 6 wt.% of reinforcement.En este artículo se investigaron las propiedades mecánicas y tribológicas de materiales compuestos de matriz de acero (acero inoxidable 316L reforzado con partículas cerámicas Cr3C2) procesados por tecnologías de fabricación aditiva de fusión selectiva con láser (SLM). Se estudió el comportamiento a desgaste con el ensayo " pin-on-disk " a temperatura ambiente y se observó la superficie desgastada mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Los resultados indicaron que el coeficiente de fricción no tiene una tendencia clara o relación directa cuando se varía el porcentaje de refuerzo mientras que la tasa de desgaste disminuye con el aumento del contenido de refuerzo. Las mejores propiedades se obtuvieron con un 6% en peso de refuerzo. PALABRAS CLAVE:

Shape optimization of a control arm produced by additive manufacturing with fiber reinforcement

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Interlaminar tensile strength for composite materials made by additive manufacturing

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