Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas

Autores
Peralta, Ignacio
Año de publicación
2019
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Fachinotti, Víctor Daniel
Cisilino, Adrián
Giusti, Sebastián
Mroginski, Javier
Cafaro, Diego
Sánchez, Pablo Javier
Descripción
Fil: Peralta, Ignacio. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
En esta tesis se desarrollan, adaptan y aplican herramientas computacionales para el diseño de materiales avanzados interviniendo sobre la microestructura a fin de alcanzar respuestas macroscópicas controladas a solicitaciones de origen térmico y mecánico (eventualmente acopladas). Estos materiales de diseño o “metamateriales'' exhiben propiedades extraordinarias, especialmente favorables para aplicaciones ingenieriles específicas. Dichas herramientas permiten optimizar la respuesta macroscópica del material, o de la pieza fabricada con este. Se plantea así un problema de optimización no lineal con restricciones en donde la función objetivo a minimizar es el error en el cumplimiento de esa repuesta macroscópica, y las variables de diseño definen la distribución de microestructura dentro del dominio de análisis. Se obtiene así una herramienta computacional de diseño general de materiales, particularmente aplicada al diseño de metamateriales, tanto para aplicaciones térmicas y mecánicas, como termo-mecánicas, y como una alternativa a la clásica metodología de diseño de metamateriales basada en transformación de coordenadas o mapeo conforme. Respecto al diseño de metamateriales térmicos, se diseñan diferentes dispositivos para manipular el flujo de calor, como ser, concentrador de calor, camuflador y bloqueador térmico, e inversor de flujo térmico, y se analizan tanto ejemplos en régimen estacionario como en régimen transitorio. Respecto al diseño de metamateriales mecánicos, se aplica la metodología propuesta al diseño de un dispositivo para camuflaje mecánico en régimen estático, y se resuelve la dificultad de materializar las propiedades resultantes de aplicar la metodología de transformación de coordenadas a la Elasticidad, impedimento principal para el desarrollo de metamateriales mecánicos fabricables.
In this thesis, computational tools are developed, adapted and applied for the design of advanced materials. By changing the microstructure of those materials, controlled macroscopic responses are obtained under thermal and mechanical (also coupled) solicitations. These design materials or “metamaterials'' exhibit extraordinary properties, especially for specific engineering applications. Such tools allow the optimization of the macroscopic response of the material or the piece fabricated with it. By this way, a nonlinear constrained optimization problem is proposed, where the objective function to minimize is the error in the accomplishment of the macroscopic responses, and the design variables define the microstructure distribution in the domain of analysis. By this way, a general design computational tool is obtained, particularly applied for the design of metamaterials, with thermal, mechanical and thermo-mechanical applications, as an alternative of the classical design methodology of metamaterials, based on coordinate transformation or conformal mapping. Regarding the design of thermal metamaterials, different devices for heat flux manipulation are designed, such as heat flux concentrator, device for thermal cloaking and blocking, and heat flux inverter. These devices were tested under steady-state and transient regimes. Regarding mechanical metamaterials, the proposed design methodology is applied for the design of an elastostatic cloaking device, and the difficulties in fabrication of coordinate-transformation-based mechanical metamaterials are overcome.
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Universidad Nacional del Litoral
Universidad Tecnológica Nacional
Materia
Computational design
Metamaterials
Metadevices
Optimization
Topology optimization
Discrete material optimization
Diseño computacional
Metamateriales
Metadispositivos
Optimización
Optimización topológica
Optimización discreta de material
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
Repositorio
Biblioteca Virtual (UNL)
Institución
Universidad Nacional del Litoral
OAI Identificador
oai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/5769

id UNLBT_bf4e12e59f703b7ff93a9d793edfd034
oai_identifier_str oai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/5769
network_acronym_str UNLBT
repository_id_str 2187
network_name_str Biblioteca Virtual (UNL)
spelling Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicasComputational design of materials with thermal and mechanical applicationsPeralta, IgnacioComputational designMetamaterialsMetadevicesOptimizationTopology optimizationDiscrete material optimizationDiseño computacionalMetamaterialesMetadispositivosOptimizaciónOptimización topológicaOptimización discreta de materialFil: Peralta, Ignacio. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.En esta tesis se desarrollan, adaptan y aplican herramientas computacionales para el diseño de materiales avanzados interviniendo sobre la microestructura a fin de alcanzar respuestas macroscópicas controladas a solicitaciones de origen térmico y mecánico (eventualmente acopladas). Estos materiales de diseño o “metamateriales'' exhiben propiedades extraordinarias, especialmente favorables para aplicaciones ingenieriles específicas. Dichas herramientas permiten optimizar la respuesta macroscópica del material, o de la pieza fabricada con este. Se plantea así un problema de optimización no lineal con restricciones en donde la función objetivo a minimizar es el error en el cumplimiento de esa repuesta macroscópica, y las variables de diseño definen la distribución de microestructura dentro del dominio de análisis. Se obtiene así una herramienta computacional de diseño general de materiales, particularmente aplicada al diseño de metamateriales, tanto para aplicaciones térmicas y mecánicas, como termo-mecánicas, y como una alternativa a la clásica metodología de diseño de metamateriales basada en transformación de coordenadas o mapeo conforme. Respecto al diseño de metamateriales térmicos, se diseñan diferentes dispositivos para manipular el flujo de calor, como ser, concentrador de calor, camuflador y bloqueador térmico, e inversor de flujo térmico, y se analizan tanto ejemplos en régimen estacionario como en régimen transitorio. Respecto al diseño de metamateriales mecánicos, se aplica la metodología propuesta al diseño de un dispositivo para camuflaje mecánico en régimen estático, y se resuelve la dificultad de materializar las propiedades resultantes de aplicar la metodología de transformación de coordenadas a la Elasticidad, impedimento principal para el desarrollo de metamateriales mecánicos fabricables.In this thesis, computational tools are developed, adapted and applied for the design of advanced materials. By changing the microstructure of those materials, controlled macroscopic responses are obtained under thermal and mechanical (also coupled) solicitations. These design materials or “metamaterials'' exhibit extraordinary properties, especially for specific engineering applications. Such tools allow the optimization of the macroscopic response of the material or the piece fabricated with it. By this way, a nonlinear constrained optimization problem is proposed, where the objective function to minimize is the error in the accomplishment of the macroscopic responses, and the design variables define the microstructure distribution in the domain of analysis. By this way, a general design computational tool is obtained, particularly applied for the design of metamaterials, with thermal, mechanical and thermo-mechanical applications, as an alternative of the classical design methodology of metamaterials, based on coordinate transformation or conformal mapping. Regarding the design of thermal metamaterials, different devices for heat flux manipulation are designed, such as heat flux concentrator, device for thermal cloaking and blocking, and heat flux inverter. These devices were tested under steady-state and transient regimes. Regarding mechanical metamaterials, the proposed design methodology is applied for the design of an elastostatic cloaking device, and the difficulties in fabrication of coordinate-transformation-based mechanical metamaterials are overcome.Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y TécnicasUniversidad Nacional del LitoralUniversidad Tecnológica NacionalFachinotti, Víctor DanielCisilino, AdriánGiusti, SebastiánMroginski, JavierCafaro, DiegoSánchez, Pablo Javier2021-03-30T16:31:14Z2019-12-20info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionSNRDhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:ar-repo/semantics/tesisDoctoralapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/11185/5769spainfo:eu-repo/semantics/openAccessAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.esreponame:Biblioteca Virtual (UNL)instname:Universidad Nacional del Litoralinstacron:UNL2025-09-29T14:30:34Zoai:https://bibliotecavirtual.unl.edu.ar:11185/5769Institucionalhttp://bibliotecavirtual.unl.edu.ar/Universidad públicaNo correspondeajdeba@unl.edu.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:21872025-09-29 14:30:34.528Biblioteca Virtual (UNL) - Universidad Nacional del Litoralfalse
dc.title.none.fl_str_mv Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
Computational design of materials with thermal and mechanical applications
title Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
spellingShingle Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
Peralta, Ignacio
Computational design
Metamaterials
Metadevices
Optimization
Topology optimization
Discrete material optimization
Diseño computacional
Metamateriales
Metadispositivos
Optimización
Optimización topológica
Optimización discreta de material
title_short Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
title_full Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
title_fullStr Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
title_full_unstemmed Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
title_sort Diseño computacional de materiales con aplicaciones térmicas y mecánicas
dc.creator.none.fl_str_mv Peralta, Ignacio
author Peralta, Ignacio
author_facet Peralta, Ignacio
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Fachinotti, Víctor Daniel
Cisilino, Adrián
Giusti, Sebastián
Mroginski, Javier
Cafaro, Diego
Sánchez, Pablo Javier
dc.subject.none.fl_str_mv Computational design
Metamaterials
Metadevices
Optimization
Topology optimization
Discrete material optimization
Diseño computacional
Metamateriales
Metadispositivos
Optimización
Optimización topológica
Optimización discreta de material
topic Computational design
Metamaterials
Metadevices
Optimization
Topology optimization
Discrete material optimization
Diseño computacional
Metamateriales
Metadispositivos
Optimización
Optimización topológica
Optimización discreta de material
dc.description.none.fl_txt_mv Fil: Peralta, Ignacio. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
En esta tesis se desarrollan, adaptan y aplican herramientas computacionales para el diseño de materiales avanzados interviniendo sobre la microestructura a fin de alcanzar respuestas macroscópicas controladas a solicitaciones de origen térmico y mecánico (eventualmente acopladas). Estos materiales de diseño o “metamateriales'' exhiben propiedades extraordinarias, especialmente favorables para aplicaciones ingenieriles específicas. Dichas herramientas permiten optimizar la respuesta macroscópica del material, o de la pieza fabricada con este. Se plantea así un problema de optimización no lineal con restricciones en donde la función objetivo a minimizar es el error en el cumplimiento de esa repuesta macroscópica, y las variables de diseño definen la distribución de microestructura dentro del dominio de análisis. Se obtiene así una herramienta computacional de diseño general de materiales, particularmente aplicada al diseño de metamateriales, tanto para aplicaciones térmicas y mecánicas, como termo-mecánicas, y como una alternativa a la clásica metodología de diseño de metamateriales basada en transformación de coordenadas o mapeo conforme. Respecto al diseño de metamateriales térmicos, se diseñan diferentes dispositivos para manipular el flujo de calor, como ser, concentrador de calor, camuflador y bloqueador térmico, e inversor de flujo térmico, y se analizan tanto ejemplos en régimen estacionario como en régimen transitorio. Respecto al diseño de metamateriales mecánicos, se aplica la metodología propuesta al diseño de un dispositivo para camuflaje mecánico en régimen estático, y se resuelve la dificultad de materializar las propiedades resultantes de aplicar la metodología de transformación de coordenadas a la Elasticidad, impedimento principal para el desarrollo de metamateriales mecánicos fabricables.
In this thesis, computational tools are developed, adapted and applied for the design of advanced materials. By changing the microstructure of those materials, controlled macroscopic responses are obtained under thermal and mechanical (also coupled) solicitations. These design materials or “metamaterials'' exhibit extraordinary properties, especially for specific engineering applications. Such tools allow the optimization of the macroscopic response of the material or the piece fabricated with it. By this way, a nonlinear constrained optimization problem is proposed, where the objective function to minimize is the error in the accomplishment of the macroscopic responses, and the design variables define the microstructure distribution in the domain of analysis. By this way, a general design computational tool is obtained, particularly applied for the design of metamaterials, with thermal, mechanical and thermo-mechanical applications, as an alternative of the classical design methodology of metamaterials, based on coordinate transformation or conformal mapping. Regarding the design of thermal metamaterials, different devices for heat flux manipulation are designed, such as heat flux concentrator, device for thermal cloaking and blocking, and heat flux inverter. These devices were tested under steady-state and transient regimes. Regarding mechanical metamaterials, the proposed design methodology is applied for the design of an elastostatic cloaking device, and the difficulties in fabrication of coordinate-transformation-based mechanical metamaterials are overcome.
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Universidad Nacional del Litoral
Universidad Tecnológica Nacional
description Fil: Peralta, Ignacio. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentina.
publishDate 2019
dc.date.none.fl_str_mv 2019-12-20
2021-03-30T16:31:14Z
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
SNRD
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
info:ar-repo/semantics/tesisDoctoral
format doctoralThesis
status_str acceptedVersion
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/11185/5769
url https://hdl.handle.net/11185/5769
dc.language.none.fl_str_mv spa
language spa
dc.rights.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.es
eu_rights_str_mv openAccess
rights_invalid_str_mv Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.es
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Virtual (UNL)
instname:Universidad Nacional del Litoral
instacron:UNL
reponame_str Biblioteca Virtual (UNL)
collection Biblioteca Virtual (UNL)
instname_str Universidad Nacional del Litoral
instacron_str UNL
institution UNL
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Virtual (UNL) - Universidad Nacional del Litoral
repository.mail.fl_str_mv jdeba@unl.edu.ar
_version_ 1844621947259846656
score 12.559606