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[ES] El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es el diseño y optimización de la estructura alar de un avión diseñado para el transporte de mercancías. Para ello, se ha procedido a realizar un análisis aerodinámico para conocer las solicitaciones a las que la estructura se verá sometida. Por otro lado, por medio del uso del programa Fusion 360, se ha llevado a cabo el diseño aproximado que tendría la estructura interna, conformada tanto por costillas como por largueros. Una vez se han seleccionado los materiales y las operaciones de diseño han concluido, se lleva a cabo un estudio cuyo fin es optimizar el diseño estructural sobre el que previamente se ha trabajado. Se ha analizado la posición que las diferentes costillas y largueros ocupan en el ala, de manera que la disposición elegida al final del proceso sea la que resista de una mejor manera los esfuerzos estructurales. Por otro lado, también se ha efectuado una optimización topológica de las costillas para así poder reducir el peso total de la aeronave. Estas tareas se han ejecutado mediante el software ANSYS., [EN] The objective of this Final Degree Project is the design and optimization of a wing structure from an aircraft designed for the freight transport. With this aim, an aerodynamic analysis has been executed to know the forces the structure will be submitted to. Furthermore, by using the program Fusion 360, an approximated internal structure design has been carried out, formed by both ribs and spars. Once the materials have been selected and the design operations have concluded, a study is performed whose goal is to optimize the structural design which had previously been displayed. The position that the different ribs and spars occupy on the wing has been analyzed, in a way that the final disposition at the end of the process is the best one at resisting the structural loads. Besides that, a topological optimization of the ribs has been accomplished so that the total weight of the aircraft is reduced. These issues have been executed by means of the software ANSYS, [CA] L'objectiu d'aquest Treball de Fi de Grau és el disseny i optimització de l'estructura alar d'un avió dissenyat per al transport de mercaderies. Per a aconseguir-ho, s'ha procedit a realitzar una anàlisi aerodinàmica per a conéixer les sol·licitacions a les quals l'estructura es veurà sotmesa. D'altra banda, per mitjà de l'ús del programa Fusion 360, s'ha dut a terme el disseny aproximat que tindria l'estructura interna, conformada tant per costelles com per travessers. Una vegada s'han seleccionat els materials i les operacions de disseny han conclòs, es duu a terme un estudi, la fi del qual és optimitzar el disseny estructural sobre el qual prèviament s'ha treballat. S'ha analitzat la posició que les diferents costelles i travessers ocupen en l'ala, de manera que la disposició triada al final del procés siga la que resistisca d'una millor manera els esforços estructurals. D'altra banda, també s'ha efectuat una optimització topològica de les costelles per a així poder reduir el pes total de l'aeronau. Aquestes tasques s'han executat mitjançant el programa ANSYS

[ES] El proyecto tiene como objetivo la optimización de un componente estructural de un vehículo ferroviario, situado en la parte inferior del bogie, que sirve para soportar el sistema de captación de energía a través del tercer carril. El componente está formado por un conjunto de placas unidas por soldadura y tiene unas restricciones geométricas de la posición de los anclajes y limitaciones de tamaño máximo para no solaparse con otros componentes. En servicio, debe garantizarse la integridad estructural frente a unas acciones definidas en la normativa, en diferentes casos de carga que generan potencialmente fallo por fatiga., [EN] This project aims to optimize a structural component of a railway vehicle, located in the lower part of the bogie, which is used to support the energy capture system through the third rail. The component is made up of a set of plates joined by welding and has geometric restrictions on the position of the anchors and maximum size limitations so as not to overlap with other components. In service, structural integrity must be guaranteed against actions defined in the regulations, in different load cases that potentially generate fatigue failure.

[ES] La búsqueda y desarrollo de nuevos materiales y métodos de reparación y/o sustitución ósea representa una punta de lanza en el tratamiento actual de los defectos óseos. La utilización de materiales bioabsorbibles brinda un gran número de ventajas potenciales como pueden ser la de evitar reacciones a cuerpo extraño y la de no requerir el retiro del material por ser biodegradables. Con el fin de caracterizar mecánicamente dichos materiales y conocer los posibles cambios que puedan sufrir una vez dentro del cuerpo humano, se pretende realizar una batería de ensayos de larga duración (alrededor de 6 meses) de estos materiales bajo carga en un ambiente que simule las condiciones del interior del cuerpo humano. El objetivo del presente trabajo de final de grado es, precisamente, el de desarrollar el sistema de aplicación de cargas de tracción a probetas de material bioabsobible que permita realizar dicho ensayo El sistema deberá cumplir varios requisitos entre los cuales se encuentra la simplificación del diseño utilizando piezas sencillas y de bajo coste, de forma que se obtenga un producto final compacto y se reduzcan al máximo los costes de fabricación dado que se pretende realizar el ensayo sobre más de 200 probetas simultáneamente.

[ES] En el presente Trabajo de Final de Máster se pretende desarrollar una metodología que permita restringir el proceso de Optimización Topológica para que los diseños resultantes sean autosoportantes, esto es, imprimibles a través de técnicas de Fabricación Aditiva sin la necesidad de soportes adicionales. Esta cuestión resulta relevante desde la perspectiva de su fabricación, puesto que permite ahorrar, tanto tiempo de procesamiento y postprocesamiento, como costes de producción. Para lograrlo, se plantea implementar una función de restricción explícita en el código: un esquema de penalización del ángulo de las barras de una pieza con respecto a la base del equipo de impresión (Ángulo de Voladizo). Así pues, será necesaria también la recopilación bibliográfica de métodos de medida del ángulo con técnicas de procesamiento de imagen y su comparación. La formulación se ha implementado en el código de Elementos Finitos cgFEM, desarrollado por el Centro de Investigación de Ingeniería Mecánica (UPV), que basa su funcionamiento en el uso de mallas cartesianas cuyos elementos son semejantes (proporcionales). Los resultados no son satisfactorios, pero sí esperanzadores. Los dos problemas principales detectados que impiden la convergencia del problema se cree que son: los elementos con densidades intermedias que difuminan los contornos y modifican su ángulo a conveniencia del algoritmo; y la oposición entre la restricción de volumen y la del Ángulo de Voladizo, que no se combinan, sino que dominan en diferentes regiones de la imagen, colocando material sin un criterio único., [EN] This Mater’s Thesis aims to develop a methodology that enables Topology Optimization constraint so that designs produced are self-supporting, that is, printable through Additive Manufacturing techniques without the need for additional supports. This issue is relevant from a manufacturing outlook since it eases the lowering of both processing and postprocessing times and production costs. To accomplish that, it is proposed to implement an explicit constraint function in the code: a penalization scheme over the angle of the bars in a certain part with respect to the printing machine (Overhang Angle). In that sense, a bibliographic compilation of methods for measuring the angle based on digital image processing techniques will also be required, as well as a comparison between them. The formulation has been implemented in the Finite Element code cgFEM, developed by Centro de Investigación de Ingeniería Mecánica (UPV), whose functioning relies on cartesian meshes with similar (proportional) elements. The results are no satisfactory, yet they are promising. Two main problems have been identified that prevent the optimization to converge: the elements with intermediate densities that blur the contours and modify their angle to the algorithm convenience; and the confrontation between the volume and the overhang angle constraints that, rather than merging, dominate over different regions of the image, thus resulting in a material distribution without a unified criterion.

[ES] Las industrias automovilísticas, aeronáuticas, aeroespaciales entre otras se encuentranen un continuo proceso de mejora de sus diseños. Se necesita de alguna manera automatizar este proceso de diseño que garantice el cumplimiento de los requisitos estructurales. Porello surge la Optimización Topológica, una moderna técnica que trata de distribuir cierta cantidad de material dentro de un dominio predefinido de manera que se minimice ciertafunción objetivo, es decir obteniendo la topología óptima. En el ámbito de la mecánica estructural, en ocasiones aparecen dominios donde aparecen puntos singulares (esquinasentrantes) cuyas tensiones son indeseables en una geometría optimizada al aplicar ciertas condiciones de contorno. Para ello, en este trabajo se plantea el desarrollo e implementaciónde una metodología que, teniendo en cuenta las características de la singularidad, evaluadasa través del Factor de Intensidad de Tensiones Generalizado, proponga una topología queelimine la singularidad a través de la incorporación en el proceso de optimización de laminimización de este factor., [EN] The automotive, aeronautics, aerospacial industries, among othes are in a continous process of improves of their designs. It is needed any way of automating this process of design and that accomplishes the structurals requirements. Thus, Topologic Optimization appears, a modern technic that manages the distribution of certain amount of material inside a predefined dominium, in order to minimize an objetive function; this is obtaining his optimal topology. In the mechanical structural field, there are occasions when singular points shows up (incoming corners) and this stresses are undesirable in an optimal geometry when some boundary conditions are applied. For all of this, this project introduces the developing and implementation of a new metodology that, taking into account the charasteristics of the singularity, evaluated through the Generalised Stress Intensity Factor, proposes a topology that eliminates the singularity through the incorporation in the process of optimization of the minimization of this factor., [CA] Les industries automovilístiques, aeronàutiques, aeroespacials entre altres es troben en un procés continu de millora dels seus dissenys. Es necessita d’alguna manera automatitzar aquest procés de disseny que garantisca el compliment dels requisits estructurals. És per això que surgeix la Optimització Topològica, una moderna tècnica que tracta de distribuir certa quantitat de material dins un domini definit amb la finalitat que minimitze certa funció objectiu, és a dir obtinguent la seua topología òptima. En l’àmbit de la mecànica estructural, en ocasions apareixen dominis on hi han punts singulars (esquines entrants), les tensions de les quals són indessitjables en una geometría optimitzada al aplicar certes condicions de contorn. Per tant, en aquest projecte es planteja el desenvolupament i implementació d’una metodología que tenint en compte les característiques de la singularitat, evaluades a través del Factor d’Intensitats de Tensions Generalitzat, propose una topología que elimine la singularitat a través de la incorporació en el procés de optimització de la minimització d’aquest factor

[ES] En este TFG se va a desarrollar un procedimiento automático para extraer las frecuencias naturales y modos de vibración de vértebras humanas a partir de imágenes médicas utilizando el Cartesian grid finite element method desarrollado por profesorado del Dep. de Ing. Mecánica y Materiales. Se pretende utilizar la técnica desarrollada a una base de datos pública de vértebras de pacientes sanos y usar técnicas Machine Learning (ML) para inferir el comportamiento de vértebras sanas. Aplicando el procedimiento a vértebras de otros pacientes, y por comparación con el comportamiento inferido por el algoritmo ML será posible caracterizar si las nuevas vértebras corresponden a pacientes sanos. Este procedimiento es relevante en el diagnóstico de pacientes que, tras haber padecido un cáncer de próstata o de mama, sufren metástasis en vértebras, lo que suele ocurrir a aproximadamente un tercio de dichos pacientes., [EN] In this TFG an automatic procedure will be developed to extract the natural frequencies and modes of vibration of human vertebrae from medical images using the Cartesian grid finite element method developed by professors from the Department of Mechanics and Materials Engineering. It is intended to use the technique developed in a public database of vertebrae from healthy patients and to use Machine Learning (ML) techniques to infer the behavior of healthy vertebrae. By applying the procedure to vertebrae from other patients, and by comparison with the behavior inferred by the ML algorithm, it will be possible to characterize if the new vertebrae correspond to healthy patients. This procedure is relevant in the diagnosis of patients who, after having suffered from prostate or breast cancer, suffer metastases in the vertebrae, which usually occurs in approximately one third of these patients., [CA] Actualment el càncer es una de les principals causes de la mortalitat a nivell mundial y una de les primeres en Espanya. Entre les complicacions que pot produir aquesta malaltia, un dels principals problemes que poden arribar a sortir es la debilitació de la estructura òssia per la acció de la metàstasis òssia, seguen les vèrtebres un dels principals focs d’aparició. La metàstasis òssia produeix canvis en la estructura interna de la vèrtebra, portant, en situacions avançades, a una reducció o increment anormal en la rigidesa dels ossos, produint finalment la fractura de la vèrtebra. En els ultimes anys s’han produït grans avanços en el camp del estudi de la malaltia i s’ha arribat a crear metodologies capaces de la utilització de imatges mèdiques per a l’anàlisi de la estructura òssia y la observació de la evolució del tumor. No obstant això, a pesar dels avanços recents, aquest camp encara presenta un ampli rang de millora. Per això, sorgís la present línia de estudi centrada en la millora de les tècniques actuals de l’anàlisi estructural de les vertebres afectades per la metàstasis òssia a partir de imatges mèdiques. En aquest objectiu es presenta el software Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM), el qual permet la utilització de les imatges mèdiques amb la finalitat de generar models de les zones objectiu y realitzar mallats adaptatius a la geometria, que permetran la realització de anàlisis mes precisos, evitant els problemes que presenten els tractaments actuals. A mes a mes, es deurà tindre en compte la selecció d’una sèrie de biomarcadors que permetran el seguiment de la metàstasis en la vèrtebra. En aquest projecte els biomarcadors seleccionats son les freqüències naturals y els modes de vibració pròpies de la vertebra. Aquests biomarcadors permetran la captació de les variacions en la estructura interna de la vertebra produïdes per la acció d’un tumor y determinaran la natura d’aquest a partir del seu anàlisis. D’aquesta manera, els resultats ob

[EN] This paper presents the results of the experience carried out in the lab-sessions of several subjects of Mechanical Engineering. The aim of this work is to find a common methodology focused on the acquisition and evaluation of the Specific Instrumental Transversal Competence (CT13 in the UPV institutional project). The work has been applied in two types of lab-sessions: computer lab and laboratory. The instrumentation used in each of them has a different nature, while the former is focused on the use and comprehension of a numerical calculation software, in the latter the students must understand the management and purpose of some experimental measurement equipments. In the computer sessions, after an accompanied learning, the students must carry out and justify the steps followed in solving a numerical problem. The evaluation takes into account the level of adequacy of the steps followed throughout the process. In the laboratory practices, the students must demonstrate the ability to correctly select the proper equipment based on the parameter to be measured as well as to define the sequence of treatments in the measurement process. The measurement of the level of acquisition of the CT13 is done through an individual questionnaire., [ES] En este trabajo se presentan los resultados de la experiencia llevada a cabo en las prácticas de diversas asignaturas de Ingeniería Mecánica. El objetivo final es encontrar una metodología unificada enfocada a la adquisición y evaluación de la Competencia Transversal Instrumental Específica (CT13 en el proyecto institucional de la UPV).Se ha trabajado con dos tipos de prácticas: informáticas y de laboratorio. La instrumentación empleada en cada una de ellas tiene distinta naturaleza, mientras las primeras están enfocadas al manejo de un programa de cálculo numérico, en las segundas los estudiantes deben comprender el manejo y la finalidad de diversos equipos de medida experimental.En las prácticas informáticas los alumnos, tras un aprendizaje acompañado, deben ser capaces de realizar y justificar los pasos seguidos en la resolución de un problema numérico. En la evaluación se tiene en cuenta el nivel de adecuación de los pasos seguidos a lo largo del proceso. En las prácticas de laboratorio los alumnos deben demostrar la capacidad de seleccionar correctamente el equipo adecuado en función del parámetro a medir, así como definir la secuencia de tratamientos en el proceso experimental. La medida del nivel de adquisición de la CT13 se realiza con un cuestionario individual.

[ES] En el presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) se realizará un estudio de uso de una metodología de optimización estructural híbrida a través de su aplicación al diseño de componentes aeronáuticos. La metodología estudiada, que está siendo desarrollada por investigadores del Instituto de Ingeniería Mecánica y Biomecánica (I2MB), se basa en la combinación de los algoritmos de optimización estructural topológica y de forma, con el fin de minimizar sus carencias individuales, y potenciar un efecto sinérgico. El procedimiento de optimización híbrida consta de una primera etapa de optimización topológica usada para la definición de una preforma del componente óptimo. El algoritmo utilizado para obtener esta preforma se basa en el método Solid Isotropic Material Penalization (SIMP). Para la correcta comunicación de ambos algoritmos de optimización es necesaria una interfase entre ellos. Esta interfase utiliza técnicas Machine Learning (ML) para inferir la forma proporcionada por el algoritmo de optimización topológica y crear, de manera automática, una parametrización del contorno definida en base a una combinación de modos geométricos. El último paso de la optimización híbrida consiste en usar un algoritmo de optimización de forma, que considera como dominio de diseño la parametrización del contorno previamente generada. Habitualmente, la evaluación de la función objetivo y restricciones pertenecientes a los algoritmos de optimización estructural se realiza mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF). Sin embargo, los cálculos realizados por el procedimiento de optimización híbrida se realizan mediante la tecnología Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM), desarrollado en el I2MB, que proporciona un entorno muy ventajoso para la implementación de la metodología. En este TFM se pretende estudiar el comportamiento de la metodología de optimización híbrida. Para ello se definirán y llevarán a cabo una serie de análisis numéricos. El rendimiento computacional, [EN] In this Master¿s Thesis (MT), a study of the use of a hybrid structural optimization methodology has been carried out through its application to the design of aeronautical components. The methodology studied, which is being developed by researchers from the Institute of Mechanical and Biomechanical Engineering (I2MB), is based on the combination of topological and shape structural optimization algorithms, to minimize their individual deficiencies, and enhance a synergistic effect. The hybrid optimization procedure consists of the first stage of topological optimization used for the definition of a preform of the optimal component. The algorithm used to obtain this preform is based on the Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP) method. For the correct communication of both optimization algorithms, an interface between them is necessary. This interface uses Machine Learning (ML) techniques to infer the shape provided by the topological optimization algorithm and automatically create a defined contour parameterization based on a combination of geometric modes. The last step of hybrid optimization consists of using a shape optimization algorithm, which considers the previously generated contour parameterization as the design domain. Usually, the evaluation of the objective function and restrictions belonging to the structural optimization algorithms is carried out using the Finite Element Method (FEM). However, the calculations performed by the hybrid optimization procedure are performed using Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM) technology, developed at the I2MB, which provides a highly advantageous environment for the implementation of the methodology. This MT intends to study the behaviour of the hybrid optimization methodology. For this, a series of numerical analyses will be defined and carried out. The computational performance of the hybrid optimization methodology depends on a set of parameters that define how the structural optimization p

[ES] La reducción de peso de componentes estructurales resulta relevante en cualquier aplicación industrial, pero es de especial relevancia en el ámbito aeronáutico y aeroespacial. Los algoritmos de optimización pueden ser utilizados para reducir el peso de componentes estructurales bajo restricciones de tensión para garantizar su integridad estructural. En este trabajo se pretende estudiar la viabilidad del uso de técnicas de optimización topológica en el diseño estructural de componentes aeronáuticos. En concreto se pretende considerar las técnicas de optimización topológica basadas en el Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM) desarrollado por profesorado del Dpto. de Ingeniería Mecánica y Materiales de la UPV. Por sus características, estas técnicas permiten obtener soluciones con buena definición geométrica en tiempos de cálculo muy competitivos. Para realizar este estudio de viabilidad, el estudio se centrará en la optimización de un patín de helicóptero., [EN] The reduction of weight of structural components is relevant in any industrial application, but it is especially relevant in the aeronautical and aerospace field. Optimization algorithms can be used to reduce the weight of structural components under stress constraints to ensure their structural integrity. This work aims to study the feasibility of using topological optimization techniques in the structural design of aeronautical components. Specifically, the aim is to consider topological optimization techniques based on the Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM) developed by professors from the UPV's Department of Mechanical and Materials Engineering. Due to their characteristics, these techniques allow obtaining solutions with good geometric definition in very competitive calculation times. To carry out this feasibility study, the study will focus on the optimization of a helicopter skate., [CA] La reducció de pes de components estructurals resulta rellevant en qualsevol aplicació industrial, però és d’especial rellevància en l’ àmbit aeronàutic i aeroespacial. Els algoritmes d’optimització poden ser utilitzats per a reduir el pes de components estructurals sota restriccions de tensió per a garantir la seua integritat estructural. En aquest treball es pretén estudiar la viabilitat de l’ús de tècniques d’optimització topològica en el disseny estructural de components aeronàutics. En concret es pretén considerar les tècniques d’optimització topològica basades en el Cartesian Grid Finite Element Method (cgFEM) desenvolupat per professorat del Dpto. d’Enginyeria Mecànica i Materials de la UPV. Per les seues característiques, aquestes tècniques permeten obtindre solucions amb bona definición geomètrica en temps de càlcul molt competitius. Per a realitzar aquest estudi de viabilitat, l’estudi se centrarà en l’optimització d’un patí d’helicòpter.

[ES] En la actualidad, el cáncer es una de las principales causas tanto de mortalidad como de morbilidad a nivel mundial. Pese a la actual inversión en la investigación de la enfermedad con el propósito de erradicarla, son menos los recursos empleados en un aspecto esencial como es la mejora del tratamiento de las complicaciones relacionadas con el padecimiento de la enfermedad que habitualmente sufren los pacientes. Una de las principales complicaciones es la relativa a la debilitación de la estructura ósea provocada por el efecto de la metástasis ósea, siendo la columna vertebral uno de los órganos más afectados por esta enfermedad tumoral. La metástasis ósea, en un estado avanzado de la enfermedad, puede variar en gran medida la rigidez del tejido óseo afectado, llegando a provocar su fractura. Por otro lado, en los últimos años se han producido importantes avances en el ámbito de la medicina personalizada a través del empleo de imágenes médicas. Gracias a esto, ha surgido una nueva línea de estudio en torno al desarrollo de análisis estructurales personalizados a partir de vértebras previamente segmentadas de estas imágenes. De este modo, es posible aplicar esta línea de estudio con el propósito de mejorar el tratamiento de las complicaciones relacionadas con el sufrimiento de metástasis ósea. Para ello, se necesita en primer lugar establecer indicadores estructurales que permitan predecir la fractura del hueso afectado. Uno de los indicadores más prometedores y adecuados a las técnicas actuales de análisis consiste en la evaluación de los valores propios de la matriz de rigidez de la vértebra. Mediante el estudio de este parámetro en el presente trabajo, se ha comprobado que el indicador es sensible a la variación de la rigidez estructural producida por el desarrollo de un tumor en la vértebra. Este indicador permite diferenciar entre las variaciones producidas por tumores de carácter lítico, que disminuyen la rigidez de la vértebra, y tumores de carácter blást, [EN] At present, cancer is one of the main causes of both mortality and morbidity worldwide. Despite the current investment in the investigation of the disease in order to eradicate it, fewer resources are used in an essential aspect, such as the treatment of complications related to the illness that patients usually suffer. One of the main complications is related to the weakening of the bone structure caused by the effect of bone metastasis, the spine being one of the organs most affected by this tumour disease. Bone metastasis, in an advanced stage of the disease, can greatly vary the stiffness of the affected bone tissue, leading to its fracture. On the other hand, in recent years there have been important advances in the field of personalized medicine through the use of medical images. Thanks to this, a new line of study has emerged around the development of personalized structural analysis from previously segmented vertebrae of these images. Thus, it is possible to apply this line of study in order to improve the treatment of complications related to suffering from bone metastasis. To achieve this, it is first necessary to establish structural indicators that allow predicting the fracture of the affected bone. One of the most promising indicators suitable for current analysis techniques is the evaluation of the eigenvalues of the stiffness matrix of the vertebrae. By studying this parameter in this project, it has been found that the indicator is sensitive to the variation in structural stiffness produced by the development of a tumour in the vertebrae. This indicator makes it possible to differentiate between the variations produced by lytic tumours, which decrease the stiffness of the vertebrae, and tumours of a blastic nature, which cause an increase in stiffness. As mentioned before, structural analysis are performed on segmented vertebrae. This segmentation presents some room for improvement in order to automate the process. With the purpose of progressin, [CA] En l'actualitat, el càncer és una de les principals causes tant de mortalitat com de morbiditat a nivell mundial. Malgrat l'actual inversió en la investigació de la malaltia amb el propòsit d'erradicar-la, són menys els recursos emprats en un aspecte essencial com és el tractament de les complicacions relacionades amb la mateixa que habitualment pateixen els pacients. Una de les principals complicacions és la relativa a la debilitació de l'estructura òssia provocada per l'efecte de la metàstasi òssia, sent la columna vertebral un dels òrgans més afectats per aquesta malaltia tumoral. La metàstasi òssia, en un estat avançat de la malaltia, pot arribar a variar en gran manera la rigidesa del teixit ossi afectat, arribant a provocar la seua fractura. D'altra banda, en els últims anys s'han produït importants avanços en l'àmbit de la medicina personalitzada a través de l'ús d'imatges mèdiques. Gràcies a això, ha sorgit una nova línia d'estudi entorn del desenvolupament d'anàlisis estructurals personalitzats a partir de vèrtebres prèviament segmentades d'aquestes imatges. D'aquesta manera, és possible aplicar aquesta línia d'estudi amb el propòsit de millorar el tractament de les complicacions relacionades amb el sofriment de metàstasi òssia. Per a això, es necessita en primer lloc establir indicadors estructurals que permeten predir la fractura de l'os afectat. Un dels indicadors més prometedors i adequats a les tècniques actuals d'anàlisi consisteix en l'avaluació dels valors propis de la matriu de rigidesa de la vèrtebra. Mitjançant l'estudi d'aquest paràmetre en el present treball, s'ha comprovat que l'indicador és sensible a la variació de la rigidesa estructural produïda pel desenvolupament d'un tumor en la vèrtebra. Aquest indicador permet diferenciar entre les variacions produïdes per tumors de caràcter lític, que disminueixen la rigidesa de la vèrtebra, i tumors de caràcter blàstic, que provoquen un augment de la rigidesa. Com s'ha comentat, les anàlisis es

[EN] The development and implementation of new capabilities to a linear elastic method for curve high-order 3D mesh generation, is described. The new features include the treatment of degenerated surfaces and an updated definition for periodic surfaces. These surfaces are widely used in engineering designs and are essential characteristics for the adoption of a mesh generator. The surfaces are described by NURBS, whose properties are used to determine whether surfaces are degenerated, periodic or not. Several examples illustrate the results of the implementation, measuring the quality of the mesh with a distortion method. Finally, in order to prove the utility of the generated meshes, one is used to solve a thermal problem., [ES] Partiendo de un trabajo previo llamado 'The generation of arbitrary order curved meshes for 3d element analysis' se busca mejorar el procedimiento de creación de mallas tridimensionales por teoría de elasticidad lineal. Este proceso consiste en la correcta adaptación de una malla lineal inicial al contorno real del solido a analizar que estará definido mediante NURBS. Para ello se añaden nodos en la malla original en los que se impone una condición de contorno para que se desplacen hasta la superficie y se resuelve el problema elástico de deformación. Una vez hecho esto se obtiene la malla de alto orden que podrá ser usada para la resolución de otros problemas por elementos finitos entre los que destacan transmisión y reflexión de ondas acústicas y electromagnéticas y problemas de fluidos.

[ES] La obtención de una solución precisa para problemas de electromagnetismo resulta de gran interés en muchos campos de la ciencia y la industria como astronomía, aeronáutica, medicina, electrónica, etc. La imposibilidad de obtener solución analítica para geometrías complejas como las que aparecen en los problemas reales y los elevados costes y tiempos de preparación asociados a los ensayos experimentales que premiten cuantificar las magnitudes físicas de interés posicionan a la simulación mediante métodos numéricos como la alternativa más versátil, rápida y económicamente viable. Por este motivo, en los últimos 60 años se han destinado importantes esfuerzos al desarrollo de estratégias de cálculo que permitan una correcta modelización del problema. La resolución de problemas físicos que implican la propagación de ondas dentro de un dominio, entre los que se incluye el problema electromagnético, supone un desafío para el campo de la mecánica computacional debido a la naturaleza hiperbólica de las ecuaciones en derivadas parciales que gobiernan estos procesos. En 1969, Yee planteó el método de las diferencias finitas en el dominio temporal (Finite-Difference Time-Domain FDTD) y lo aplicó satisfactoriamente a la resolución de las ecuaciones de Maxwell. El FDTD es un método sencillo y robusto que permite un nivel de precisión razonable para la mayoría de casos prácticos. Sin embargo, su simplicidad también es el origen de importantes limitaciones ya que introduce errores tanto en la captación de la geométría del problema físico real como en la progación de la onda. A lo largo de los años se han propuesto modificaciones y nuevas estrategias para la simulación de este tipo de problemas. Entre ellas, la utilización de la técnica Discontinuous Galerkin (DG) junto con interpolaciones de alto grado ha demostrado ser una de las alternativas más efectivas, ya que permite minimizar los errores de propagación introducidos por el método a la vez que se obtiene una representació

[ES] La implantología dental es un procedimiento común y altamente fiable para tratar a pacientes parcial o totalmente desdentados. Su índice de éxito que depende tanto de factores clínicos como biomecánicos. La fiabilidad a largo plazo de los sistemas de implantes está relacionada con la capacidad de los mismos de resistir cargas oclusales, sin inducir excesivas tensiones en el hueso periimplantario (que rodea al implante), para evitar así la reabsorción ósea. Esta reabsorción puede provocar la movilidad del implante y el fracaso del tratamiento protésico. La conexión entre los implantes y la supraestructura (estructura que se atornilla o cementa sobre ellos y que generalmente soporta los dientes artificiales) puede presentar desajustes que provoquen tensiones, tanto en los componentes de la supraestructura, como en los implantes o en el hueso periimplantario. Este hecho puede conllevar consecuencias biológicas negativas muy significativas. Para la evaluación de las tensiones producidas en el hueso debido a los desalineamientos se ha desarrollado una rutina en Matlab y la construcción de un modelo 3D de elementos finitos con el software ANSYS. Con esta rutina se ha conseguido automatizar el proceso de desalineamiento de modo que se ha evaluado desalineaciones lineales, desalineaciones angulares así como las combinación de estas, des este modo se ha elaborado un peque~na base de datos que nos ha servido para poder elaborar una sencilla herramienta con la que el odontólogo podría evaluar las desalineaciones que presentan los implantes. Esta herramienta unicamente necesitaría la medición de los desalineamientos in situ por parte del odontólogo, una vez medidos el software devolvería un valor de tensión, que de ser superior al límite de rotura de cualquiera de los huesos indicaría que la desalineación debe ser corregida., [EN] The dental implantology is a common procedure and highly reliable for treat patients partial or totally toothless. Its success rate depends on both clinical and biomechanical factors. The long-term reliability of implant systems is related with their ability to withstand occlusal loads, without inducing excessive tensions in the peri-implant bone (bone around the implant), to avoid bone resorption. This reabosorption can cause implant mobility and the protesic treatment failure. The connexion between the implants and the supraestructure (structure that is screwed or cemented on them and that generally supports artificial teeth ) can present imbalances that cause tensions, both in the componentes of the suprastructure and in the implants or in the peri-implant bone. This fact can lead very significant negative consequences. For the evaluation of the stress produced in the bone due to misalignments a routine in Matlab has been developed and the construction of a 3D model of finite elements with the software ANSYS. With this routine it has been possible to automate the misalignment process so that linear misalignmets, angular misalignemets as well as the combination of these have been evaluated. in this way, a small database has been created that has helped us to develop a tool wich the dentist could evaluate the misalignments presented by the implants. This tool would only need the measure of the misalignment by the dentist, once measured the software would return a stress value, that if it is greater than traction stress of either of the two bones it would indicate that the misalignment should be corrected.

[ES] La optimización topológica es una ciencia la cual pretende obtener una distribución óptima de material en un dominio dado satisfaciendo una serie de restricciones predefinidas. Mediante el uso del Método de los Elementos Finitos (MEF) se resuelve el problema de análisis estructural evaluando el valor de la densidad relativa en el dominio discretizado. La densidad relativa en cada elemento oscila entre 0 y 1, siendo este un elemento vacío o lleno de material respectivamente. Mediante el lenguaje de programación Python, es posible resolver el problema de optimización de estructuras en 2D y 3D. Así pues, se pueden comparar los resultados obtenidos en Python con los de otros software comerciales, con el beneficio que conlleva el uso de un software libre., [EN] Topology optimization is a science which aims to obtain an optimal distribution of material in a given domain satisfying predefined constraints. Using the Finite Element Method (FEM) we can solve the problem of structural analysis, evaluating the value of the relative density in the discretized domain. The relative density in each element oscillates between 0 and 1, this being an empty element or full of material respectively. Using the Python programming language, it is possible to solve the problem of optimization of structures in 2D and 3D. Thus, we can compare the results obtained in Python with other commercial software, with the benefit that comes with the use of free software.

[ES] El Cartesian grid finite element method (cgFEM) desarrollado en el CIIM es una metodología para la simulación númerica que permite generar, de manera muy eficiente modelos de elementos finitos a partir de imágenes médicas. Esta metodología resulta especialmente útil para realizar simulaciones patient-specific del comportamiento del tejido óseo y para realizar simulaciones de la interacción hueso-implante, que resultan de gran relevancia para valorar la viabilidad de implantes. Sin embargo, dado que el hueso se remodela en función de las solicitaciones que ha de soportar y puesto que la colocación de implantes modifica estas solicitaciones, estudiar la viabilidad a largo plazo de implantes exige que se pueda simular dicho proceso de remodelación. El objetivo de este trabajo fin de máster ha sido el de definir e implementar una metodología que permita simular numéricamente el proceso de remodelación ósea a través de cgFEM. Tras analizar tanto aspectos mecánicos como biológicos de los que depende la remodelación y tras revisar varios de modelos descritos en la bibliografía del tema, se ha seleccionado el modelo de remodelación ósea basado en la mecánica del daño presentado por García y Doblaré. La metodología de análisis desarrollada parte de la imagen médica del paciente. Con ella, cgFEM genera un modelo MEF y realiza el análisis estructural. Los resultados del mismo son usados por el algoritmo de remodelación ósea para actualizar la distribución de densidad del hueso y generar la imagen modificada que será usada en el siguiente paso de tiempo. La repetición de este proceso, donde el algoritmo de remodelación es un pos-proceso del análisis con cgFEM, para sucesivos pasos de tiempo, permite simular el proceso de remodelación. Los resultados numéricos presentados muestran claramente la capacidad de la metodología propuesta para simular, de manera eficiente, procesos de remodelación ósea., [EN] The Cartesian grid finite element method (cgFEM) developed at the CIIM is a methodology for numerical simulation that allows finite element models to be generated from medical images in a very efficient way. This methodology is especially useful to perform patient-specific simulations of bone tissue behavior and to perform simulations of the bone-implant interaction, which are of great relevance to assess the viability of implants. However, given that the bone is remodeled depending on the stresses it has to endure and since the placement of implants modifies these stresses, studying the long-term viability of implants requires that the remodeling process can be simulated. The objective of this master’s thesis was to define and implement a methodology that allows numerically simulating the process of bone remodeling through cgFEM. After analyzing both mechanical and biological aspects on which the remodeling depends and after reviewing several of the models described in the literature, the model of bone remodeling based on the damage mechanics presented by Garc´ıa and Doblar´e has been selected. The analysis methodology developed is based on the patient’s medical image. With it, cgFEM generates a FEM model and performs structural analysis. The results of it are used by the bone remodeling algorithm to update the density distribution of the bone and generate the modified image that will be used in the next step of time. The repetition of this process, where the remodeling algorithm is a post-process of the analysis with cgFEM, for successive steps of time, allows to simulate the remodeling process. The numerical results presented clearly show the capacity of the proposed methodology to simulate, in an efficient way, processes of bone remodeling., [CA] El Cartesian grid finite element method (cgFEM) desenvolupat en el CIIM és una metodologia per a la simulació númerica que permet generar, de manera molt eficient models d’elements finits a partir d’imatges mèdiques. Esta metodologia resulta especialment útil per a realitzar simulacions patientspecific del comportament del teixit ossi i per a realitzar simulacions de la interacció os-implante, que resulten de gran rellevància per a valorar la viabilitat d’implantes. No obstant això, atés que l’os es remodela en funció de les solicitaciones que ha de suportar i ja que la col·locació d’implantes modifica estes solicitaciones, estudiar la viabilitat a llarg termini d’implantes exigix que es puga simular el esmenat procés de remodelació. L’objectiu d’este treball fi de màster ha sigut el de definir i implementar una metodologia que permeta simular numèricament el procés de remodelació òssia a través de cgFEM. Després d’analitzar tant aspectes mecànics com biològics dels que depén la remodelació i després de revisar diversos de models descrits en la bibliografia del tema, s’han seleccionat el model de remodelació òssia basat en la mecànica del dany presentat per Garc´ıa i Doblaré. La metodologia d’anàlisi desenvolupada partix de la imatge mèdica del pacient. Amb ella, cgFEM genera un model MEF i realitza l’anàlisi estructural. Els resultats del mateix són utilitzats per l’algoritme de remodelació òssia per a actualitzar la distribució de densitat de l’os i generar la imatge modificada que serà usada en el següent pas de temps. La repetició d’este procés, on l’algoritme de remodelació és un postprocés de l’anàlisi amb cgFEM, per a successius passos de temps, permet simular el procés de remodelació. Els resultats numèrics presentats mostren clarament la capacitat de la metodologia proposada per a simular, de manera eficient, processos de remodelació òssia.

Tesis por compendio, [ES] La interacción de contacto entre sólidos deformables es uno de los fenómenos más complejos en el ámbito de la mecánica computacional. La resolución de este problema requiere de algoritmos robustos para el tratamiento de no linealidades geométricas. El Método de Elementos Finitos (MEF) es uno de los más utilizados para el diseño de componentes mecánicos, incluyendo la solución de problemas de contacto. En este método el coste asociado al proceso de discretización (generación de malla) está directamente vinculado a la definición del contorno a modelar, lo cual dificulta la introducción en la simulación de superficies complejas, como las superficies NURBS, cada vez más utilizadas en el diseño de componentes. Esta tesis está basada en el "Cartesian grid Finite Element Method" (cgFEM). En esta metodología, encuadrada en la categoría de métodos "Immersed Boundary", se extiende el problema a un dominio de aproximación (cuyo mallado es sencillo de generar) que contiene al dominio de análisis completamente en su interior. Al desvincular la discretización de la definición del contorno del problema se reduce drásticamente el coste de generación de malla. Es por ello que el método cgFEM es una herramienta adecuada para la resolución de problemas en los que es necesario modificar la geometría múltiples veces, como el problema de optimización de forma o la simulación de desgaste. El método cgFEM permite también crear de manera automática y eficiente modelos de Elementos Finitos a partir de imágenes médicas. La introducción de restricciones de contacto habilitaría la posibilidad de considerar los diferentes estados de integración implante-tejido en procesos de optimización personalizada de implantes. Así, en esta tesis se desarrolla una formulación para resolver problemas de contacto 3D con el método cgFEM, considerando tanto modelos de contacto sin fricción como problemas con rozamiento de Coulomb. La ausencia de nodos en el contorno en cgFEM impide la aplicación de métodos, [CA] La interacció de contacte entre sòlids deformables és un dels fenòmens més complexos en l'àmbit de la mecànica computacional. La resolució d'este problema requerix d'algoritmes robustos per al tractament de no linealitats geomètriques. El Mètode dels Elements Finits (MEF) és un dels més utilitzats per al disseny de components mecànics, incloent la solució de problemes de contacte. En este mètode el cost associat al procés de discretització (generació de malla) està directament vinculat a la definició del contorn a modelar, la qual cosa dificulta la introducció en la simulació de superfícies complexes, com les superfícies NURBS, cada vegada més utilitzades en el disseny de components. Esta tesi està basada en el "Cartesian grid Finite Element Method" (cgFEM). En esta metodologia, enquadrada en la categoria de mètodes "Immersed Boundary", s'estén el problema a un domini d'aproximació (el mallat del qual és senzill de generar) que conté al domini d'anàlisi completament en el seu interior. Al desvincular la discretització de la definició del contorn del problema es reduïx dràsticament el cost de generació de malla. És per això que el mètode cgFEM és una ferramenta adequada per a la resolució de problemes en què és necessari modificar la geometria múltiples vegades, com el problema d'optimització de forma o la simulació de desgast. El mètode cgFEM permet també crear de manera automàtica i eficient models d'Elements Finits a partir d'imatges mèdiques. La introducció de restriccions de contacte habilitaria la possibilitat de considerar els diferents estats d'integració implant-teixit en processos d'optimització personalitzada d'implants. Així, en esta tesi es desenvolupa una formulació per a resoldre problemes de contacte 3D amb el mètode cgFEM, considerant tant models de contacte sense fricció com a problemes amb fregament de Coulomb. L'absència de nodes en el contorn en cgFEM impedix l'aplicació de mètodes tradicionals per a imposar les restriccions de contacte, per, [EN] The contact interaction between elastic solids is one of the most complex phenomena in the computational mechanics research field. The solution of such problem requires robust algorithms to treat the geometrical non-linearities characteristic of the contact constrains. The Finite Element Method (FE) has become one of the most popular options for the mechanical components design, including the solution of contact problems. In this method the computational cost of the generation of the discretization (mesh generation) is directly related to the complexity of the analysis domain, namely its boundary. This complicates the introduction in the numerical simulations of complex surfaces (for example NURBS), which are being increasingly used in the CAD industry. This thesis is grounded on the Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM). In this methodology, which belongs to the family of Immersed Boundary methods, the problem at hand is extended to an approximation domain which completely embeds the analysis domain, and its meshing is straightforward. The decoupling of the boundary definition and the discretization mesh results in a great reduction of the mesh generation's computational cost. Is for this reason that the cgFEM is a suitable tool for the solution of problems that require multiple geometry modifications, such as shape optimization problems or wear simulations. The cgFEM is also capable of automatically generating FE models from medical images without the intermediate step of generating CAD entities. The introduction of the contact interaction would open the possibility to consider different states of the union between implant and living tissue for the design of optimized implants, even in a patient-specific process. Hence, in this thesis a formulation for solving 3D contact problems with the cgFEM is presented, considering both frictionless and Coulomb's friction problems. The absence of nodes along the boundary in cgFEM prevents the enforcement of the co

[ES] El uso de implantes dentales es actualmente una práctica habitual en diversos centros de odontología. Habitualmente, tras la extracción del diente o su pérdida se coloca un tornillo de titanio como base para el nuevo diente artificial. Se conoce que el tipo de implante de titanio tiene un papel muy importante en la estabilidad primaria del nuevo diente. Uno de los factores determinantes de dicha estabilidad es la geometría del implante. Por ello en este trabajo se van a explorar la influencia de diversos parámetros (longitud, diámetro, ángulo de los filetes, ) en la estabilidad primaria del implante. Para ello se utilizará la técnica Cartesian Grid Finite Element Method desarrollada por el Centro de Investigación en Ingeniería Mecánica que permite de manera sencilla estudiar el comportamiento mecánico de implantes dentro de una estructura ósea (mandíbula) obtenida a partir de imágenes médicas, teniendo en cuenta interacciones de contacto entre el implante y el hueso de la mandíbula.

[ES] Esta tesis se centra en evaluar un método que logre una precisión razonable para soluciones no uniformes sin refinamiento de malla. En este momento, NEFEM no puede obtener una precisión razonable para soluciones que no son fluidas. Debido a este hecho, un método que sea capaz de resolver este tipo de problemas integrados en NEFEM sería una actualización. Y los campos en los que NEFEM sería una opción adecuada para aplicar crecerían. El Método de Función de Base Singular Integrada (ISBFM) ha sido evaluado. Este método se ha probado para conocer su precisión para resolver problemas con soluciones no fluidas en los límites. Un objetivo principal de esta tesis es evaluar el desempeño del ISBFM en problemas en los que el uso de NEFEM se considera adecuado. Para ello, se han seguido los siguientes pasos. - Desarrollo de código FEM en Matlab. - Implementación del ISBFM en el código FEM desarrollado. - Probar el código para entender el rendimiento de ISBFM. - Determine si ISBFM integrado en NEFEM será válido para obtener soluciones no fluidas con una precisión razonable., [EN] This thesis focuses on assess a method which achieve reasonable accuracy for non-smooth solutions without mesh refinement. At this moment, NEFEM is not able to obtain reasonable accuracy for non-smooth solutions. Due to this fact, method that is capable to solve this kind of problems integrated in NEFEM would be an upgrade. And fields in which NEFEM would be an adequate option to apply would grow up. The Integrated Singular Basis Function Method has been assessed. This method has been tested in order to known its accuracy to solve problems with non-smooth solutions in boundaries. A main goal of this thesis is evaluate the performance of the ISBFM in problems in which the use of NEFEM is considered adequate. For this purpose, the following steps have been followed. - Development of FEM code in Matlab. - Implementation the ISBFM in the FEM code developed. - Test the code to understand the ISBFM performance. - Determine whether ISBFM integrated in NEFEM will be valid for obtain non-smooth solutions with reasonable accuracy.

[ES] El Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM) es una herramienta de análisis mediante el método de los elementos finitos desarrollada por profesores del Dpto. de Ingeniería Mecánica y Materiales (DIMM). El método utiliza mallas cartesianas independientes de la geometría para discretizar el dominio a analizar. Una de las utilidades más relevantes del método es su capacidad para definir modelos de elementos finitos a partir de imágenes 3D. Esta capacidad del método permite realizar la caracterización de propiedades mecánicas de materiales de manera virtual si se dispone, por ejemplo, de un micro-TAC 3D que represente la estructura interna del material. Con la reducción del precio de obtención de los micro-TACs, esta caracterización virtual se plantea como una alternativa de gran interés para caracterizar materiales tales como espumas metálicas para aplicaciones estructurales o, incluso, en el ámbito biomecánico, en la caracterización de tejidos como el óseo. El procedimiento de caracterización virtual mediante cgFEM está ya definido, pero resulta necesario realizar una validación comparando los resultados obtenidos numéricamente mediante cgFEM con resultados experimentales obtenidos en una máquina universal de ensayos. El objetivo de este trabajo es el de realizar dicha validación experimental. A fin de simplificar la fase experimental del proceso de validación se plantea utilizar técnicas de impresión 3D para generar el conjunto de probetas necesario para realizar los ensayos. El modelo a imprimir en PLA (ácido poliláctico) mediante impresión 3D se obtendrá a partir de un micro-TAC disponible en el DIMM de una espuma de aluminio, garantizando así la repetitividad de las probetas está prácticamente garantizada, se reduce considerablemente el número de ensayos a realizar y de micro-TACs a obtener. La validación consistirá en comprobar que los resultados experimentales obtenidos para el conjunto de probetas son similares a los obtenidos por cgFEM a partir del mic

[ES] En este Trabajo Fin de Máster, se presenta el proceso de segmentación de las vértebras lumbares en imágenes médicas (Tomografías computarizadas) mediante un modelo de CAD paramétrico y su respectivo análisis estructural con el uso de cgFEM. En primer lugar, se realiza una introducción. Después, se expone un marco teórico donde se muestran los métodos de segmentación de imagen más representativos y donde se explican sus pautas básicas. Luego, se presentan las razones por las cuales se creó el método de segmentación ósea desarrollado en esta tesis. Asimismo, se establecen los objetivos que se buscaron con este documento. En segundo lugar, se explican los softwares involucrados y el flujo de proceso utilizado para el desarrollo de esta tesis. En tercer lugar, se muestra un ejemplo del proceso. El proceso corresponde al caso de un paciente que desarrolló una lesión lítica en la vértebra L5. Los resultados obtenidos para todas las vértebras lumbares se tabulan y se comparan entre sí. Los resultados muestran que el método propuesto en este trabajo fue capaz de identificar la vértebra que sufrió la lesión lítica. Esto demuestra que los indicadores proporcionados por la metodología propuesta en este trabajo podrían utilizarse en el futuro con fines de diagnóstico. Por último, se presentan las conclusiones., [EN] In this Master Thesis, the process of segmentation of lumbar vertebrae in medical imaging (Computed Tomography Scans) by means of a parametric CAD model and its respective structural analysis with the use of cgFEM is presented. In the first place, an introduction is presented. Then, a theorical framework is showed where the most representative image segmentation methods and its basic guidelines are explained. After, we present the reasons to develop the bone segmentation method created in this thesis. Also, the objectives that were sought with this document are established. In the second place, the software involved, and the process flow used for the development of this thesis are explained. In the third place, a process example is showed. The process corresponds to the case of a patient that developed a lytic lesion in the L5 vertebra. The results obtained for all the lumbar vertebrae are tabulated and compared with each other. The results show that the method proposed in this work was able to identify the vertebra that underwent the lytic lesion. This shows that the indicators provided by the methodology proposed in this work could be used in the future for diagnosis purposes. Finally, the conclusions are presented., [CA] En esta Tesi de Mestria, es presenta el procés de segmentació de les vèrtebres lumbars en imatges mèdiques (Tomografies computarizadas) per mitjà d'un model de CAD paramètric i el seu respectiva anàlisi estructural amb l'ús de cgFEM. En primer lloc, es realitza una introducció. Després, s'exposa un marc teòric on es mostren els mètodes de segmentació d'imatge més representatius i on s'expliquen les seues pautes bàsiques. Després, es presenten les raons per les quals es va crear el mètode de segmentació òssia desenvolupat en aquesta tesi. Així mateix, s'estableixen els objectius que es van buscar amb aquest document. En segon lloc, s'expliquen els programaris involucrats i el flux de procés utilitzat per al desenrotllament d'esta tesi. En tercer lloc, es mostra un exemple del procés. El procés correspon al cas d'un pacient que va desenrotllar una lesió lítica en la vèrtebra L5. Els resultats obtinguts per a totes les vèrtebres lumbars es tabulen i es comparen entre si. Els resultats mostren que el mètode proposat en este treball va ser capaç d'identificar la vèrtebra que va patir la lesió lítica. Açò demostra que els indicadors proporcionats per la metodologia proposada en este treball podrien utilitzar-se en el futur amb fins de diagnòstic. Finalment, es presenten les conclusions."

[EN] This paper presents some activities developed in the last two years from the Innovation and Educational Quality Team of the Universitat Politècnica de València, INTEGRAL, to work and evaluate generic competences in subjects within the field of Mechanical Engineering and Materials Science . The idea is to show examples of learning activities that allow developing these competences in technical-scientific subjects, based on previous experiences of the components of the Team, and drawing conclusions and proposals for improvement after their implementation in recent courses., [ES] En esta comunicación se presentan las actividades más relevantes desarrolladas en los dos últimos cursos desde el Equipo de Innovación y Calidad Educativa de la Universitat Politècnica de València, INTEGRAL, para trabajar y evaluar competencias transversales en asignaturas del ámbito de la Ingeniería Mecánica y de Ciencia de los Materiales. La idea es ofrecer ejemplos de actividades de aprendizaje que permiten desarrollar estas competencias en asignaturas de carácter técnico-científico, partiendo de experiencias anteriores de los componentes del Equipo, y extrayendo conclusiones y propuestas de mejora tras su implantación en cursos recientes.

Los procesos de optimización estructural involucran un coste computacional muy elevado y en muchas ocasiones la realización de varias optimizaciones de forma secuencial (primero una optimización topológica para definir la parametrización adecuada del problema y una optimización de forma posterior para definir completamente el componente mecánico). Para realizar estas tareas suelen utilizarse diferentes herramientas computacionales que se han desarrollado en diferentes momentos y plataformas. Esto justifica el desarrollo de un entorno de trabajo que permita integrar estas herramientas y facilite la transferencia de información entre ellas. En lo referente a la solución del problema asociado al alto coste computacional en el entorno de trabajo se quiere introducir, tanto los modelos subrogados desarrollados previamente en el departamento, como nuevas herramientas que permitan distribuir en paralelo ciertas tareas de cálculo entre diferentes ordenadores. Esto supondría poder abordar en un tiempo razonable problemas de optimización estructural que actualmente no se pueden resolver con una única máquina. El trabajo propuesto consistirá en el desarrollo de dicho entorno integrado de optimización, que permita definir y controlar secuencias complejas de optimización, y que incluya las herramientas computacionales disponibles para reducir el coste computacional y herramientas de paralelización adaptadas al \textit{hardware} disponible en el Departamento de Ingeniería Mecánica., The structural optimization processes involve high computational costs and, in many situations, the accomplishment of several sequential shape optimizations (first a topological optimization to define the layout of the problem and then a shape optimization to define completely the contour of the mechanical component). In order to carry out this task, different computational tools are used. Those tools were developed in different times and platforms. This is why the implementation of a work environment that allows to integrate those tools and eases the transfer of information between them is needed. In reference to the problem's solution, its highl demand of computational cost would be reduced through the introduction of surrogate models and new tools that allow to distribute in parallel certain tasks to several computers. This would make it possible to solve, in a reasonable time, structural optimization problems that are nowadays impossible to be solved in just one computer. The work proposed will consist in the development of this optimization integrated environment, that allows to define and control complex sequences of optimization, and to include the computational tools available to reduce the computational cost and parallelization tools adapted to the hardware available at the Department of Mechanical Engineering.

En la industria actual, el desarrollo de componentes que satisfagan las necesidades de los usuarios evoluciona rápidamente. Por ello, las empresas se ven obligadas a generar modelos óptimos para los componentes de sus productos de manera rápida y eficaz. En este sentido, es de gran utilidad el uso de una técnica denominada Optimización Topológica, que ha sido usada para optimizar, a nivel estructural, la geometría de diversos componentes. En esta técnica se busca la distribución óptima de una cantidad de material prescrita por el analista de modo que se maximice la rigidez del componente. Los resultados son mucho más ricos permitiendo cambios topológicos importantes (aparición o colapso de agujeros) de manera sencilla. No obstante, el proceso de optimización, es decir, la búsqueda de la distribución de material óptima, conlleva una mayor dificultad que otros tipos de optimización, lo que ha forzado el desarrollo de métodos específicos. Además, las estructuras resultantes requieren ser fabricadas mediante fabricación aditiva debido a su complejidad, que si la estructura es grande puede resultar costoso. Para paliar esta dificultad, en este trabajo se propone un método que, en vez de obtener la estructura optimizada del componente en su totalidad, subdivide el componente en celdas de tamaño manejable y son éstas las que son optimizadas y se plantea un método que tiene como objetivo garantizar la continuidad de la estructura entre las celdas basado en técnicas de equilibrado utilizadas en procesos de acotación del error de discretización. De este modo, la fabricación aditiva sólo es necesaria para la construcción de las celdas y no para el componente entero, pudiendo así llegar a fabricar componentes de mayores dimensiones. Los resultados obtenidos demuestran la viabilidad del método y la continuidad de la estructura., In the current industry, component development that satisfies the customer requirements evolves quickly. Therefore, the companies are asked for quick and efficient solutions for the optimization of their component models. In this sense, it is very useful to use a technique called Topology Optimization, which has been extensively used to optimize, at a structural level, the geometry of many components. By using this technique, a given amount of material is distributed in the best possible way in order to maximize the component's stiffness. The results obtained by this method allow the user to change the topology in a simple way, by removing or adding material (appearance or collapse of holes). However, this type of optimization entails a greater difficulty than other types of optimization. That has led to the development of specific methods, considering that the main goal of this optimization is the manufacturing of components using the additive manufacturing process. In order to alleviate this difficulty, the work proposes the combination of two techniques. The first one subdivide the whole component in cells and generates an optimized material structure in each cell. The second one is a balancing technique that ensures the continuity of tractions between cells, thus ensuring the material continuity after the cell optimization process. In this way the additive manufacturing is only required for the manufacturing of those cells and not for the whole component, thus being able to manufacture larger components. The results obtained by using this method prove its viability and the continuity at cell level.

Tesis por compendio, As ever more challenging designs are required in present-day industries, the traditional trial-and-error procedure frequently used for designing mechanical parts slows down the design process and yields suboptimal designs, so that new approaches are needed to obtain a competitive advantage. With the ascent of the Finite Element Method (FEM) in the engineering community in the 1970s, structural shape optimization arose as a promising area of application. However, due to the iterative nature of shape optimization processes, the handling of large quantities of numerical models along with the approximated character of numerical methods may even dissuade the use of these techniques (or fail to exploit their full potential) because the development time of new products is becoming ever shorter. This Thesis is concerned with the formulation of a 3D methodology based on the Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) as a tool for efficient and robust numerical analysis. This methodology belongs to the category of embedded (or fictitious) domain discretization techniques in which the key concept is to extend the structural analysis problem to an easy-to-mesh approximation domain that encloses the physical domain boundary. The use of Cartesian grids provides a natural platform for structural shape optimization because the numerical domain is separated from a physical model, which can easily be changed during the optimization procedure without altering the background discretization. Another advantage is the fact that mesh generation becomes a trivial task since the discretization of the numerical domain and its manipulation, in combination with an efficient hierarchical data structure, can be exploited to save computational effort. However, these advantages are challenged by several numerical issues. Basically, the computational effort has moved from the use of expensive meshing algorithms towards the use of, for example, elaborate numerical integration schemes designed to ca, La competitividad en la industria actual impone la necesidad de generar nuevos y mejores diseños. El tradicional procedimiento de prueba y error, usado a menudo para el diseño de componentes mecánicos, ralentiza el proceso de diseño y produce diseños subóptimos, por lo que se necesitan nuevos enfoques para obtener una ventaja competitiva. Con el desarrollo del Método de los Elementos Finitos (MEF) en el campo de la ingeniería en la década de 1970, la optimización de forma estructural surgió como un área de aplicación prometedora. El entorno industrial cada vez más exigente implica ciclos cada vez más cortos de desarrollo de nuevos productos. Por tanto, la naturaleza iterativa de los procesos de optimización de forma, que supone el análisis de gran cantidad de geometrías (para las se han de usar modelos numéricos de gran tamaño a fin de limitar el efecto de los errores intrínsecamente asociados a las técnicas numéricas), puede incluso disuadir del uso de estas técnicas. Esta Tesis se centra en la formulación de una metodología 3D basada en el Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) como herramienta para un análisis numérico eficiente y robusto. Esta metodología pertenece a la categoría de técnicas de discretización Immersed Boundary donde el concepto clave es extender el problema de análisis estructural a un dominio de aproximación, que contiene la frontera del dominio físico, cuya discretización (mallado) resulte sencilla. El uso de mallados cartesianos proporciona una plataforma natural para la optimización de forma estructural porque el dominio numérico está separado del modelo físico, que podrá cambiar libremente durante el procedimiento de optimización sin alterar la discretización subyacente. Otro argumento positivo reside en el hecho de que la generación de malla se convierte en una tarea trivial. La discretización del dominio numérico y su manipulación, en coalición con la eficiencia de una estructura jerárquica de datos, pueden ser explotados para ahorr, Actualment, amb la competència existent en la industria, s'imposa la necessitat de generar nous i millors dissenys . El tradicional procediment de prova i error, que amb freqüència es fa servir pel disseny de components mecànics, endarrereix el procés de disseny i produeix dissenys subòptims, pel que es necessiten nous enfocaments per obtindre avantatge competitiu. Amb el desenvolupament del Mètode dels Elements Finits (MEF) en el camp de l'enginyeria en la dècada de 1970, l'optimització de forma estructural va sorgir com un àrea d'aplicació prometedora. No obstant això, a causa de la natura iterativa dels processos d'optimització de forma, la manipulació dels models numèrics en grans quantitats, junt amb l'error de discretització dels mètodes numèrics, pot fins i tot dissuadir de l'ús d'aquestes tècniques (o d'explotar tot el seu potencial), perquè al mateix temps els cicles de desenvolupament de nous productes s'estan acurtant. Esta Tesi se centra en la formulació d'una metodologia 3D basada en el Cartesian-grid Finite Element Method (cgFEM) com a ferramenta per una anàlisi numèrica eficient i sòlida. Esta metodologia pertany a la categoria de tècniques de discretització Immersed Boundary on el concepte clau és expandir el problema d'anàlisi estructural a un domini d'aproximació fàcil de mallar que conté la frontera del domini físic. L'utilització de mallats cartesians proporciona una plataforma natural per l'optimització de forma estructural perquè el domini numèric està separat del model físic, que podria canviar lliurement durant el procediment d'optimització sense alterar la discretització subjacent. A més, un altre argument positiu el trobem en què la generació de malla es converteix en una tasca trivial, ja que la discretització del domini numèric i la seua manipulació, en coalició amb l'eficiència d'una estructura jeràrquica de dades, poden ser explotats per estalviar cost computacional. Tot i això, estos avantatges poden ser qüestionats per diversos proble

Se cree que la medicina in silico supondrá uno de los cambios más disruptivos en el futuro próximo. A lo largo de la última década se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de modelos computacionales predictivos para mejorar el poder de diagnóstico de los médicos y la efectividad de las terapias. Un punto clave de esta revolución, será la personalización, que conlleva en la mayoría de los casos, la creación de modelos computacionales específicos de paciente, también llamados gemelos digitales. Esta práctica está actualmente extendida en la investigación y existen en el mercado varias herramientas de software que permiten obtener modelos a partir de imágenes. A pesar de eso, para poderse usar en la práctica clínica, estos métodos se necesita reducir drásticamente el tiempo y el trabajo humano necesarios para la creación de los modelos numéricos. Esta tésis se centra en la propuesta de la versión basada en imágenes del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica para obtener de forma automática modelos a partir de imágenes y llevar a cabo análisis estructurales lineales de huesos, implantes o materiales heterogéneos. En la técnica propuesta, tras relacionar la escala de los datos de la imágen con valores de propiedades mecánicas, se usa toda la información contenida en los píxeles para evaluar las matrices de rigidez de los elementos que homogenizan el comportamiento elástico de los grupos de píxeles contenidos en cada elemento. Se h-adapta una malla cartesiana inicialmente uniforme a las características de la imágen usando un procedimiento eficiente que tiene en cuenta las propiedades elásticas locales asociadas a los valores de los píxeles. Con eso, se evita un suavizado excesivo de las propiedades elásticas debido a la integración de los elementos en áreas altamente heterogéneas, pero, no obstante, se obtienen modelos finales con un número razonable de grados de libertad. El resultado de este proceso es una malla no conforme en la que se impon, Es creu que la medicina in silico suposarà un dels canvis més disruptius en el futur pròxim. Al llarg de l'última dècada, s'ha invertit un gran esforç en el desenvolupament de models computacionals predictius per millorar el poder de diagnòstic dels metges i l'efectivitat de les teràpies. Un punt clau d'aquesta revolució, serà la personalització, que comporta en la majoria dels casos la creació de models computacionals específics de pacient. Aquesta pràctica està actualment estesa en la investigació i hi ha al mercat diversos software que permeten obtenir models a partir d'imatges. Tot i això, per a poder-se utilitzar en la pràctica clínica aquests métodes es necessita reduir dràsticament el temps i el treball humà necessaris per a la seva creació. Aquesta tesi es centra en la proposta d'una versió basada en imatges del Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), una técnica per obtenir de forma automàticament models a partir d'imatges i dur a terme anàlisis estructurals lineals d'ossos, implants o materials heterogenis. Després de relacionar l'escala del imatge a propietats macàniques corresponents, s'usa tota la informació continguda en els píxels per a integrar les matrius de rigidesa dels elements que homogeneïtzen el comportament elàstic dels grups de píxels continguts en cada element. Es emphh-adapta una malla inicialment uniforme a les característiques de la imatge usant un procediment eficient que té en compte les propietats elàstiques locals associades als valors dels píxels. Amb això, s'evita un suavitzat excessiu de les propietats elàstiques a causa de la integració dels elements en àrees altament heterogénies, però, tot i això, s'obtenen models finals amb un nombre raonable de graus de llibertat. El resultat d'aquest procés és una malla no conforme en la qual s'imposa la continuïtat C0 de la solució mitjançant restriccions multi-punt en els hanging nodes. Contràriament als procediments estàndard per a la creació de models d'Elements finits a partir d'i, In silico medicine is believed to be one of the most disruptive changes in the near future. A great effort has been carried out during the last decade to develop predicting computational models to increase the diagnostic capabilities of medical doctors and the effectiveness of therapies. One of the key points of this revolution, will be personalisation, which means in most of the cases creating patient specific computational models, also called digital twins. This practice is currently wide-spread in research and there are quite a few software products in the market to obtain models from images. Nevertheless, in order to be usable in the clinical practice, these methods have to drastically reduce the time and human intervention required for the creation of the numerical models. This thesis focuses on the proposal of image-based Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM), a technique to automatically obtain numerical models from images and carry out linear structural analyses of bone, implants or heterogeneous materials. In the method proposed in this thesis, after relating the image scale to corresponding elastic properties, all the pixel information will be used for the integration of the element stiffness matrices, which homogenise the elastic behaviour of the groups of pixels contained in each element. An initial uniform Cartesian mesh is h-adapted to the image characteristics by using an efficient refinement procedure which takes into account the local elastic properties associated to the pixel values. Doing so we avoid an excessive elastic property smoothing due to element integration in highly heterogeneous areas, but, nonetheless obtain final models with a reasonable number of degrees of freedom. The result of the process is non-conforming mesh in which C0 continuity is enforced via multipoint constraints at the hanging nodes. In contrast to the standard procedures for the creation of Finite Element models from images, which usually require a complete and w

[ES] Las prótesis implantosoportadas o implantes dentales son un método recurrente para sustitución de piezas dentales dañadas. Dichos implantes poseen un protocolo de implantación donde una de las fases es la osteointegración o fijación del implante con el hueso. Durante esta fase del proceso, se debe esperar desde 1 hasta 6 meses según el procedimiento con el fin de alcanzar unos valores de fijación suficientes para colocar finalmente la corona sustituta de la pieza dental. Actualmente, existen dos dispositivos llamados Periotest y Ostell para medir la fijación del implante y el diente. Sin embargo, éstos, además de tener un elevado coste de compra, poseen fallos de medida, poniendo algunos ejemplos, las medidas realizadas con Periotest pueden verse alteradas por la técnica de medición, es decir la posición del instrumento sobre el implante o la longitud del implante. Mientras tanto el dispositivo Ostell puede verse influenciado por la orientación de este respecto al implante. Debido a las debilidades y el coste elevado de los dispositivos disponibles en el mercado, se decide realizar el estudio de viabilidad de un dispositivo de bajo coste basado en el uso de un sonómetro para el registro y control de la fase de fijación del hueso y el implante. La viabilidad del dispositivo será evaluada mediante simulación con el método de los elementos finitos (MEF). Para ello se genera tanto un modelo simplificado 2D como un modelo 3D que simula la mandíbula con el implante ya colocado y el dispositivo que se desea prototipar. Mediante el software ANSYS se comprueba primero con el modelo 2D y después con el 3D que existe una diferencia entre las frecuencias naturales del dispositivo al considerar diferentes rigideces de hueso, que representarían a huesos sanos y huesos debilitados por el efecto de una enfermedad, como podría ser la osteoporosis. Esta variación de frecuencias naturales sería utilizada como indicador de la calidad de la fijación del implante en el hueso. Se pro, [CA] Les pròtesis implantosuportades o implants dentals són un mètode recurrent per substitució de peces dentals danyades. Aquests implants posseeixen un protocol d'implantació on una de les fases és l'osteointegració o fixació de l'implant amb l'os. Durant aquesta fase del procés, s'ha d'esperar d'1 a 6 mesos segons el procediment per tal d'assolir uns valors de fixació suficients per col·locar finalment la corona substituta de la peça dental. Actualment, hi ha dos dispositius anomenats Periotest i Ostell per mesurar la fixació de l'implant i la dent. No obstant això, aquests, a més de tenir un elevat cost de compra, posseeixen errors de mesura, posant alguns exemples, les mesures realitzades amb Periotest es poden veure alterades per la tècnica de mesurament, és a dir la posició de l'instrument sobre l'implant o la longitud del implant. Mentrestant el dispositiu Ostell es pot veure influenciat per l'orientació d'aquest respecte a l'implant. A causa de les debilitats i el cost elevat dels dispositius disponibles al mercat, es decideix realitzar l'estudi de viabilitat d'un dispositiu de baix cost basat en l'ús d'un sonòmetre per al registre i control de la fase de fixació de l'os i el implant. La viabilitat del dispositiu serà avaluada mitjançant simulació amb el mètode dels elements finits (MEF). Per a això es genera tant un model simplificat 2D com un model 3D que simula la mandíbula amb l'implant ja col·locat i el dispositiu que es vol prototipar. Mitjançant el programari ANSYS es comprova primer amb el model 2D i després amb el 3D que hi ha una diferència entre les freqüències naturals del dispositiu en considerar diferents rigideses d'os, que representarien a ossos sans i ossos afeblits per l'efecte d'una malaltia, com podria ser l'osteoporosi. Aquesta variació de freqüències naturals seria utilitzada com a indicador de la qualitat de la fixació de l'implant a l'os. Es proposa l'ús de la freqüència natural que resulta més sensible a la variació de les propietat, [EN] Implant-supported prostheses or dental implants are a recurring method for replacing damaged dental pieces. These implants have an implantation protocol where one of the phases is the osseointegration or fixation of the implant with the bone. During this phase of the process, people must wait from 1 to 6 months according to the procedure in order to get enough fixation values to finally place the replacement crown of the tooth. Currently, there are two devices called Periotest and Ostell to measure the fixation of the implant and the tooth. However, these gadgets have high purchase cost and measurement failures. Giving some examples, the measurements made with Periotest can be altered by the measure technique, in terms of the instrument position on the implant or the length of the implant. Meanwhile the Ostell device can be influenced by its orientation to the implant. Due to the weaknesses and the high cost of the devices available in the market, We decided to carry out the feasibility study of a low-cost device based on the use of a sound level meter to record and control the bone fixation phase and the implant. The viability of the device was evaluated by simulation with a finite element method (FEM). For this purpose, a simplified 2D model is generated as well as a 3D model able simulate the jaw with the implant already placed and the device that we want to prototype. Using the ANSYS software and based on 2D model and then with the 3D, we first checked out if there was a difference between the natural frequencies of the device when considering different bone rigidities, which would represent healthy bones and weakened bones induced by the effect of a disease, such as osteoporosis. This variation of natural frequencies would be used as an indicator of the fixation quality of the implant in the bone. The use of the natural frequency which is more sensitive to the variation of bone properties, is proposed. The shape of the device must be optimized to maximize

Consulta en la Biblioteca ETSI Industriales (Riunet), [ES] En este Proyecto, se revisará la teoría de los Materiales Compuestos, en especial los compuestos laminados fibrosos, para desarrollar un modelo de comportamiento de sistemas estructurales con gradiente funcional. Adicionalmente, la Teoría de Mindlin para el uso de elementos tipo placa en el Método de Elementos Finitos será modificada para la adecuada implementación de los gradientes funcionales.

[EN] The Department of Mechanical and Materials Engineering of the University Polytechnic of Valencia has developed some efficient Finite Element codes in Matlab based on the use of geometry independent Cartesian grids (FEAVox). One of its main numerical features is that the code is able to perform ‘patient specific’ analyzes from medical images. This project is focused on using FEAVox in order to simulate the effect of future surgical operations involving prosthetic implants in a ‘patient specific’ framework, with the main objective of estimating the quality of the connection between bone and object, once it is placed in the patient. This process aims to provide knowledge of the adequacy of the implant beforehand, bearing in mind the needs and the success of future surgical operations of the patient. FEAVox is able to create a finite elements model that represents accurately the bone features near the implant, whose position requirements involve a previous pixelization process and the development of a new Matlab program that allows the user to precisely move and position the object. The use of the techniques shown in this document will allow the development of a new validation process for the specific operation needs in a certain patient, based on the evaluation of changes in the natural frequencies and vibration modes according to the melding level of the bone-implant system. For this reason, a dynamic analysis code will be incorporated to FEAVox. Its results will be used as quality indicators., Se pretende utilizar un programa de elementos finitos desarrollado en Matlab en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales, cgFEM, para simular operaciones `patient specific¿ de colocación de implantes protésicos, en concreto en prótesis de cadera. Se desea determinar el nivel de sujeción esperado de la prótesis una vez colocada en el paciente a fin de estimar a priori la adecuación del implante a las características del enfermo y el nivel de éxito de la operación. A partir de imágenes médicas (TAC o resonancia magnética) del paciente cgFEM puede obtener automáticamente un modelo de elementos finitos que represente con precisión las características de la estructura ósea donde se colocará el implante. Se pretende que el programa permita también crear un modelo pixelado del implante (similar al modelo de la imagen médica) que pueda ser fusionado con el de la estructura ósea para analizar numéricamente el conjunto hueso-implante. Se ha comprobado que las frecuencias naturales y modos de vibración del conjunto hueso-implante varían notablemente en función del nivel de sujeción. Por lo tanto, se deberá dotar al programa de la capacidad de realizar análisis de frecuencias naturales y modos de vibración cuyos resultados serán utilizados como indicadores del nivel de sujeción entre hueso e implante., [CA] El Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials de la Universitat Politècnica de València es troba en ple desenvolupament d'un codi d'Elements Finits 3D (FEAVox), programat en Matlab. La característica més notable d’aquest codi resideix en la utilització de mallats cartesians independents de la geometria. Entre les seves moltes possibilitats es troba la de realitzar anàlisis específiques de pacient a partir d'imatges mèdiques. En aquest Treball Fi de Màster es pretén utilitzar FEAVox per simular l'efecte de futures operacions quirúrgiques que involucren la col·locació d'implants protètics en un entorn 'patient specific'. Amb això es pretén determinar el nivell de subjecció esperat de la pròtesi una vegada col·locada en el pacient, amb la finalitat d'estimar, a priori, l'adequació de l'implant a les característiques del malalt i el nivell d'èxit de l'operació. A partir d'imatges mèdiques (TAC o ressonància magnètica), FEAVox és capaç d'obtenir un model d'elements finits que representa amb el suficient nivell d’aproximació les característiques de l'estructura òssia en els voltants de l'implant. La ubicació del implant requereix de la prèvia pixelització i del desenvolupament de una nova eina, també en llenguatge Matlab, que permeta moure i posicionar l'objecte amb certa precisió. La utilització de les tècniques implementades permetrà el desenvolupament d'un procediment nou de valoració de la qualitat de subjecció de la pròtesi per a un determinat pacient, ja que s'ha comprovat que les freqüències naturals i modes de vibració del conjunt os-implant varien notablement en funció de l’esmentat nivell de subjecció. Per aquest motiu, i com a part del procediment definit en aquest document, es dotarà FEAVox amb la possibilitat de realitzar anàlisis modals, els resultats dels quals seran utilitzats com a indicadors de la fixació de la unió.

Dentro de los sistemas mecánicos es muy habitual encontrar componentes en contacto. En muchas ocasiones estas interacciones tienen importantes implicaciones a nivel de funcionalidad, eficiencia energética y vida útil del conjunto. Por tanto, una correcta simulación numérica del contacto permitirá optimizar los diseños consiguiendo sistemas más fiables, energéticamente eficientes y menos costosos de adquirir (por la reducción de costes de prototipado) y de mantener (por la reducción del desgaste de los componentes y de la necesidad de recambios). La naturaleza no lineal del contacto imposibilita la obtención de soluciones analíticas o de ábacos de diseño para la mayoría de casos de estudio. Conscientes de esta limitación, dentro del ámbito de la simulación mediante el método de los elementos finitos (MEF) han aparecido procedimientos para resolver numéricamente este tipo de problemas. Sin embargo, la calidad de estas soluciones numéricas se aleja de los niveles de precisión que permitirían optimizar los diseños si buscamos tiempos de cálculo operativos. El objetivo del TFG es desarrollar e implementar en Matlab una metodología de postproceso basada en el uso de técnicas de alisado de las soluciones del MEF (evaluadas mediante el Cartesian grid Finite Element Method - cgFEM) que mejore la solución en el contacto y permita mayor precisión al aplicar los criterios de diseño de componentes en contacto.

El Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM) es una herramienta de análisis mediante el método de los elementos finitos desarrollada por profesores del Dpto. de Ingeniería Mecánica y Materiales. El método utiliza mallas cartesianas independientes de la geometría para discretizar el dominio a analizar. Una de las utilidades más relevantes del método es su capacidad para definir modelos de elementos finitos a partir de imágenes 3D (tomografías axiales computadas-TAC, resonancias magnéticas-RM, etc.), dado que su información se almacena en una estructura cartesiana compatible con cgFEM. El procedimiento de modelización y análisis basado en el uso de cgFEM resulta de gran importancia en el ámbito de la medicina personalizada puesto que permite realizar simulaciones numéricas específicas del paciente (patient-specific), especialmente de estructuras óseas. El procedimiento de modelado y análisis está ya perfectamente definido, pero es necesario realizar la validación experimental de los resultados obtenidos mediante cgFEM; dicha validación experimental representa el objetivo de este trabajo. La validación consistirá, esencialmente, en tomar un objeto 3D, someterlo a cargas mediante una prensa y comparar los resultados con los obtenidos numéricamente con cgFEM a partir de un micro-TAC del objeto 3D. La dificultad fundamental del trabajo reside en los materiales a analizar: materiales porosos (tejidos óseos ¿ hueso cortical y trabecular o esponjoso ¿, espumas metálicas, etc.) cuyo modelado mediante el FEM tradicional suele ser inabordable debido a la complejidad geométrica de la estructura interna del material. Para simplificar la parte experimental del proceso de validación, se ha decidido utilizar técnicas de impresión 3D para generar el conjunto de probetas necesario para realizar los ensayos. El modelo a imprimir en PLA (ácido poliláctico) se obtendrá a partir de un microTAC disponible en el DIMM de una espuma de aluminio. De esta manera, la repetitividad de las prob

[EN] In Finite Element analysis of medical images, obtained by CT Scan and magnetic resonance, there is a problem in the calculus because of the same color scale of different body parts, for example, sometimes the cancellous bone and the muscles have the same color value, involving indeterminations assigning material properties to the different tissues. This master’s thesis tries to obtain an application that automatically detects the bone, or other body parts, in medical images for its subsequent analysis using the cartesian grid Finite Element Method (cgFEM). In the methodology developed there is a preprocessing, where the images are prepared for the segmentation. Afterwards, a segmentation is done, obtained by a two-dimensional anisotropic mesh adaptation, developed in the Mathematics Department of the Polytechnic in Milano. Finally, there is a postprocessing, where a logical matrix is created, using the mesh in the segmentation, that distinguish between those parts of the image that are useful for its analysis with cgFEM and those that are not. The tests done with different medical images shows satisfactory results, like those detailed in the report, achieving the thesis’s goal., En los análisis de elementos finitos personalizados, realizados a partir de imágenes médicas (TAC o resonancias magnéticas) se pueden encontrar diversas problemáticas. Por ejemplo, el hueso trabecular y la musculatura resultan, en ocasiones, representados por el mismo nivel de intensidad, lo que conlleva a indeterminaciones a la hora de asignar propiedades de material a los diferentes tejidos. Se desea desarrollar una aplicación que detecte automáticamente partes del cuerpo, principalmente huesos, para su posterior análisis mediante el Cartesian grid Finite Element Method (cgFEM). Para ello, en este trabajo, se analizará la viabilidad de utilizar las técnicas de mallado anisótropo desarrolladas en el Departamento de Matemática del Politécnico di Milano. Esta técnica genera una malla de triángulos sobre una imagen 2D donde los triángulos se alargan en la dirección tangente a los contornos que aparecen en la imagen., [CA] En els anàlisis de Elements Finits a partir de imatges mediques, obtingudes mitjançant TAC i ressonàncies magnètiques, existeix una problemàtica degut a la igualtat de tonalitat de escala de color en distintes parts del cos humà, per eixample, en ocasions l’os trabecular i la musculatura poden presentar nivells de color similars, implicant indeterminacions a la hora de assignar propietats de material als diferents teixits. Aquest treball de màster pretén obtenir una aplicació que detecti el os, o altres parts del cos, en imatges mediques per al seu posterior anàlisis mitjançant el cartesian grid Finite Element Method (cgFEM). En la metodologia desenvolupada hi ha un preprocés, on se preparen les imatges mediques. Posteriorment es realitza la segmentació pròpiament dita, on s’emplea un mallat anisòtrop adaptatiu bidimensional, a partir de les desenvolupades en el Departament de Matemàtiques del Politècnic de Mila. Finalment, hi ha un post procés, on es construeix una matriu lògica, a partir del mallat obtingut en la segmentació, que diferencia aquelles parts de la imatge que son útils per als anàlisis de cgFEM de aquelles que no. Les proves realitzades con distintes imatges mèdiques donen resultats satisfactoris, com els que se detallen en la memòria, complint aixina l’objectiu del treball.

[EN] The purpose of research of this paper is to evaluate the stress concentration factor in a finite width plate with a circular-centered hole using the Finite Element Method (hereinafter called FEM). The studied cases belongs to the different structural load requirements such as axial force, bending moment (in-plane) and bending moment (out of plane). The computational calculations are run with ANSYSr, academic version. Its code lay on the phisics and mathematical foundations of current FEM, extremely important and widely used at Industry and Science. In order to produce the charts, having the goal of proving the method in comparison with handbooks and related bibliography, least squares method is used through the mathematical software MATLABr, academic version and as well as for Windows platform., [ES] El presente TFG tiene como objetivo la evaluación del factor de concentración de tensiones de una placa con agujero central mediante el Método de los Elementos Finitos (en adelante, MEF). Los casos analizados son los correspondientes a las distintas solicitaciones a las que se ve sometida la pieza, objeto de estudio, como son el esfuerzo axial, el momento flector (dentro del plano) y el momento flector (fuera del plano). Todo el cálculo computacional se realiza con ANSYSr, en su versión académica. El código de dicho software recoge los fundamentos físicos y matemáticos del actual MEF, sumamente importante y ampliamente utilizado en la Industria y en la Ciencia. Para la elaboración de las gráficas, con el objetivo de probar el método en comparación con la literatura existente en prontuarios y bibliografía relativa a este campo, se emplea el método de los mínimos cuadrados mediante el software matemático MATLABr, también en su versión académica, y para plataforma Windows.

[CA] Este Treball Fi de Màster se centra en el disseny i la fabricació d'una lliscadora programable per a càmeres fotogràfiques o de vídeo professional. Per a entrar en el context de l'ús d'este tipus de ferramentes s'introduiran una sèrie de conceptes bàsics sobre cinematografia, a més de realitzar una breu revisió històrica d'alguns dels dispositius utilitzats per a obtindre les gravacions que acostumem a veure en la gran pantalla. La funcionalitat i característiques de la lliscadora programable se centrarà en un estudi previ d'algunes de les solucions comercials que el mercat tracta d'acostar als tècnics d'imatge i so, enginyers i usuaris en general. Posteriorment es passarà a seleccionar el conjunt de components que la lliscadora haurà d'incloure, veient els avantatges i desavantatges de l'ús dels mateixos. A través de disseny 3D es realitzarà el modelatge de les peces a fabricar i la posició dels components auxiliars. En l'apartat de disseny electrònic es plantejarà el cicle de programació que s'instal·larà en la placa. Finalment s'exposaran una sèrie de captures del procés de fabricació, les instruccions de muntatge del conjunt i la forma d'utilitzar la lliscadora., This Master's Degree Project focuses on the design and manufacturing of a programmable camera slider for professional video making. To enter the context of the use of this kind of tools, we will introduce a number of basic concepts on cinematography, as well as a brief historical review of some of the devices used to obtain the recordings we are used to see on the big screen. The functionality and features of the programmable slider will focus on a previous study of some of the commercial solutions that the market tries to bring to the image and sound technicians, engineers and users in general. Subsequently, we will select the set of components that the slider should include, seeing the advantages and disadvantages of using them. Through 3D design will be made the modeling of the parts to be manufactured and the position of the auxiliary components. In the section of electronic design will consider the programming cycle to be installed on the board. Finally, a series of captures of the manufacturing process, the assembly instructions of the assembly and the way of using the slider will be presented., Este Trabajo Fin de Máster se centra en el diseño y la fabricación de una deslizadera programable para cámaras fotográficas o de vídeo profesional. Para entrar en el contexto del uso de este tipo de herramientas se introducirán una serie de conceptos básicos sobre cinematografía, además de realizar una breve revisión histórica de algunos de los dispositivos utilizados para obtener las grabaciones que acostumbramos a ver en la gran pantalla. La funcionalidad y características de la deslizadera programable se centrará en un estudio previo de algunas de las soluciones comerciales que el mercado trata de acercar a los técnicos de imagen y sonido, ingenieros y usuarios en general. Posteriormente se pasará a seleccionar el conjunto de componentes que la deslizadera deberá incluir, viendo las ventajas y desventajas del uso de los mismos. A través de diseño 3D se realizará el modelado de las piezas a fabricar y la posición de los componentes auxiliares. En el apartado de diseño electrónico se planteará el ciclo de programación que se instalará en la placa. Finalmente se expondrán una serie de capturas del proceso de fabricación, las instrucciones de montaje del conjunto y la forma de utilizar la deslizadera.

[ES] El trabajo describe un método que permite estudiar el comportamiento del factor teórico de concentrador de tensiones Kt para diferentes geometrías de sección rectangular con reducción de sección simétrica en los laterales, mediante el método de los elementos finitos. El objetivo es disponer de expresiones que permitan automatizar procesos de diseño de este tipo de componentes, dado que la evaluación de Kt mediante gráficos elaborados por Peterson dificulta dicha automatización. Para ello, modelaremos la pieza en el software ANSYS® y le aplicaremos cuatro estados de cargas: axial, flectores en dos ejes diferentes y torsor, para obtener la tensión máxima. Con la tensión máxima obtenida por el software y la calculada teóricamente obtendremos el factor teórico de concentración de tensiones para cada configuración geométrica. Los valores Kt se representaran en una gráfica y se compararan con los obtenidos por Peterson. Tras la comparación, ajustaremos la curva mediante el método de mínimos cuadrados y obtendremos una ecuación, en la cual, introduciendo la geometría obtendremos el factor teórico de concentración.

La implantología dental es un procedimiento común y altamente fiable para tratar a pacientes parcial o totalmente desdentados. Su índice de éxito que depende tanto de factores clínicos como biomecánicos. La fiabilidad a largo plazo de los sistemas de implantes está relacionada con la capacidad de los mismos de resistir cargas oclusales, sin inducir excesivas tensiones en el hueso periimplantario (que rodea al implante), para evitar así la reabsorción ósea. Esta reabsorción puede provocar la movilidad del implante y el fracaso del tratamiento protésico. La conexión entre los implantes y la supraestructura (estructura que se atornilla o cementa sobre ellos y que generalmente soporta los dientes artificiales) puede presentar desajustes que provoquen tensiones, tanto en los componentes de la supraestructura, como en los implantes o en el hueso periimplantario. Este hecho puede conllevar consecuencias biológicas negativas muy significativas. Así, el objetivo de este proyecto es el de evaluar la influencia en la distribución de tensiones, sobre el hueso periimplantario y el implante dental, de los desajustes horizontales, verticales y angulares entre la plataforma de los implantes y la supraestructura, mediante el análisis de elementos finitos. Los análisis se realizarán serán un estudio inicial sobre modelos 2D que sentarán las base para estudios futuros más avanzados sobre modelos 3D. PLAN DE TRABAJO: - Familiarización con la biomecánica de los implantes dentales y con su terminología. - Generación de un modelo 2D de mandíbula sobre el que colocar los implantes. - Generación de modelos de implantes y de supraestructura. - Determinación de un procedimiento adecuado para simular mediante el método de los elementos finitos los desajustes a analizar. - Generación de modelos de Elementos Finitos del conjunto. - Automatización de los análisis a realizar mediante la elaboración de macros. - Realización de estudios numéricos mediante el Método de los elementos Finitos y análisi

El presente proyecto trata sobre el diseño optimizado mediante métodos numéricos de una celda de seguridad de in automóvil que cumpla con la normativa FIA. Para tal fin el alumno estudiará con detalle los requisitos y ensayos requeridos por dicha normativa para ser capaz de diseñar la estructura de la celda de seguridad de manera adecuada. Posteriormente, utilizará métodos de simulación numéricos, como por ejemplo el Método de los Elementos Finitos, para, tras realizar de manera numérica los ensayos propuestos por la normativa FIA, obtener los resultados de tensiones y deformaciones en la celda de seguridad. Dichos resultados se utilizarán como criterios de diseño. Una vez obtenida una celda válida, se procederá a realizar la optimización de la misma, cambiando la topología y/o la sección de las barras que conforman dicha celda de seguridad, siempre teniendo en cuenta las restricciones impuestas por la normativa FIA. Con ello se obtendrá una celda de seguridad optimizada y que además cumple con la normativa FIA.

This paper presents a hierarchical h adaptive methodology for Finite Element Analysis based on the hierarchical relations between parent and child elements that come out if these elements are geometrically similar. Under this similarity condition the terms involved in the evaluation of element stiffness matrices of parent and child elements are related by a constant which is a function of the element sizes ratio (scaling factor). These relations have been the basis for the development of a hierarchical h adaptivity methodology based on element subdivision and the use of multi-point-constraints to ensure C0 continuity. The use of a hierarchical data structure significantly reduces the amount of calculations required for the mesh refinement, the evaluation of the global stiffness matrix, element stresses and element error estimation. The data structure also produces a natural reordering of the global stiffness matrix that improves the behaviour of the Cholesky factorization., Este artículo presenta una metodología h-adaptativa jerárquica para el análisis de elementos finitos basado en las relaciones jerárquicas entre los elementos padre e hijo que aparecen si estos elementos son geométricamente similares. Bajo esta condición de similitud, los términos implicados en la evaluación de las matrices de rigidez de elementos de los elementos padre e hijo están relacionados por una constante que es una función de la relación de tamaños de elemento (factor de escala). Estas relaciones han sido la base para el desarrollo de una metodología h-adaptativa jerárquica basada en la subdivisión de elementos y el uso de restricciones multipunto para asegurar la continuidad C0. El uso de una estructura jerárquica de datos reduce significativamente la cantidad de cálculos requeridos para el refinamiento de la malla, la evaluación de la matriz de rigidez global, las tensiones de los elementos y la estimación del error del elemento. La estructura de datos también produce un reordenamiento natural de la matriz de rigidez global que mejora el comportamiento de la factorización de Cholesky.

[EN] The evaluation activities developed within the frame of a project on innovation and improvement of teaching, and some preliminary results, are presented in this paper. The main goal of this project is to work on the design of evaluation activities that truly force the students to put their soft skills (generic competences) into play and, at the same time, that allow the instructors to grade their students’ performance on the technical-scientific competences.An assessment for learning approach is used, so that the evaluation activities are useful for the students to improve their learning experience., [ES] En esta comunicación se presentan las actividades de evaluación desarrolladas en el marco de un Proyecto de Innovación y Mejora Educativa, junto con algunos resultados preliminares. El principal objetivo de este proyecto es el diseño de actividades de evaluación que fuercen a los estudiantes a desarrollar sus competencias transversales, al mismo tiempo que permitan a los profesores evaluar su desempeño en las competencias científico-técnicas. Se emplea un enfoque de evaluación formativa, de forma que las actividades de evaluación sean útiles a los estudiantes para mejorar su aprendizaje.

[ES] En este proyecto se pretende implementar un optimizador de forma de componentes estructurales sobre el software de elementos finitos, llamado FEAVox, desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales de esta universidad. Este optimizador será el encargado de encontrar una geometría con volumen mínimo y que cumpla unas restricciones, normalmente referentes a la tensión máxima admisible, a partir de una geometría parametrizada del componente. Con el fin de que sea más eficaz se ha implementado el cálculo de sensibilidades de forma para obtener los gradientes de la solución con respecto a las variables de diseño. Estos gradientes serán usados por el optimizador para guiar el proceso de optimización. Por último, se han querido probar algunas mejoras que se centren en reducir el tiempo de ejecución del programa. Por un lado, el optimizador será capaz de buscar geometrías ya calculadas y simplemente recuperar los resultados en lugar de volverla a calcularlos. Por otro lado, se ha añadido un módulo de redes neuronales artificiales que, tras el adecuado proceso de entrenamiento de la red neuronal, permitirá generar inmediatamente los resultados sin necesidad de análisis completos de elementos finitos.

El trabajo tiene como objetivo diseñar componentes estructurales, mediante el método de elementos finitos, que serán utilizados en un dron de cuatro rotores (cuadricóptero). Una característica particular de este proyecto es que los componentes estructurales a diseñar serán fabricados mediante impresión 3D.

[EN] Osteoporosis is a bone illness characterized by a reduction in the bone mineral density. This is responsible of millions of fractures every year making necessary to control the bone density to prevent risks. The technique commonly used for this is the bone densitometry where the diagnosis, based on statistical results obtained in the test from a radiographic image, establishes the fracture risk of the patient. Despite it is considered the reference test for this illness, the results are not accurate enough as about 40% of the patients that are diagnosed with a low fracture risk suffer a fracture by osteoporosis. On the other hand, the images obtained by the densitometry report are not used to diagnose the fracture risk discarding the data that it contains. In this Master’s Thesis, a new version of the software cgFEM, created in the Department of Mechanical and Materials Engineering, has been developed to process and analyse this images by means of the Finite Element Method. The objective is to make use of the data that is not used and to help to improve the osteoporosis diagnosis techniques. The technique developed in this thesis is focused on hip densitometries, specifically on the upper part of the femur, as this is the zone where more fractures happen. Using the images, a femur model is created defining its geometry and the load, specified by the user, that will be applied. The Finite Element Method is the technique used to analyse the model. The presence of local defects that cannot be appreciated in the densitometry report, where the results are the average of the analysed zone, can be detected by the Finite Element solution, as well as the effect of the femur geometry. In addition, the possibility of selecting the applied load allows for including the weight as a variable to extract new conclusions that are not considered in the current densitometry test., [ES] La osteoporosis es una enfermedad de los huesos caracterizada por una disminución de la densidad mineral ósea. Esta es responsable de millones de fracturas anuales haciendo necesario realizar un control de la densidad ósea para prevenir riesgos. La técnica comúnmente utilizada para llevar a cabo este control es la densitometría donde los diagnósticos que se ofrecen se basan en parámetros estadísticos obtenidos en la prueba a partir de una imagen radiográfica que determinan el riesgo de fractura al que está expuesto el paciente. Pese a ser considerada la prueba de referencia para esta enfermedad, los resultados no son lo suficientemente precisos ya que alrededor del 40% de los pacientes a los que se les ha diagnosticado un riesgo de fractura bajo terminan sufriendo una fractura por osteoporosis. Por otra parte, las imágenes proporcionadas en los informes de las densitometrías se usan únicamente para determinar dichos parámetros estadísticos que pueden entenderse como una densidad media y no tienen otros usos en el diagnóstico del paciente teniendo información en ellas que no se aprovecha. Es por ello que en la presente Tesis de Máster se ha desarrollado una versión del software cgFEM del Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales que permite procesar y analizar mediante elementos finitos estas imágenes. El objetivo es poder dar una utilidad a información que se está desperdiciando y ayudar a realizar unos diagnósticos más precisos en casos de osteoporosis. La versión realizada en este proyecto se centra en las densitometrías de cadera, concretamente en la parte superior del fémur, ya que es donde más roturas se producen. A partir de las imágenes se realiza un modelo del fémur definiendo su geometría y la carga que se le aplicará, el valor de la cual será escogido por el usuario, para posteriormente realizar el análisis mediante elementos finitos. En los resultados obtenidos se podrá ver el efecto de diversos factores que la densitometría no recoge como la, [CA] La osteoporosi és una malaltia dels ossos caracteritzada per una disminució de la densitat mineral òssia. Aquesta es responsable de milions de fractures anuals fent necessari realitzar un control de la densitat òssia per a previndre riscos. La tècnica comunment utilitzada per a controlar la densitat òssia es la densitometria on els diagnòstics que s’oferixen es basen en paràmetres estadístics obtesos en la prova a partir d’una imatge radiogràfica que determinen el risc de fractura al que està exposat el pacient. Pese a ser considerada la prova de referència per a aquesta malaltia, els resultats no són suficientment precisos ja que al voltant del 40% dels pacients als que se’ls ha diagnosticat un risc de fractura baix acaben sofrint una fractura per osteoporosi. Per altra part, les imatges proporcionades en els informes de les densitometries s’utilitzen únicament per a determinar els paràmetres estadístics que poden entendres com una densitat mitja i no tenen altres ús en el diagnòstic del pacient tenint en elles informació que no s’aprofita. És per açò que en la present Tesi de Màster s’ha desenvolupat una versió del software cgFEM del Departament d’Enginyeria Mecànica i Materials que permet processar i analitzar mitjançant elements finits aquestes imatges. Amb aquesta tècnica es pretén poder donar una utilitat a informació que s’està malgastant i ajudar a realitzar uns diagnòstics més precisos en casos de osteoporosi. La versió realizatada en aquest projecte està centrada en les densitometries de maluc, concretament en la part superior del fèmur, ja que és on més trencaments es produeixen. A partir de les imatges es realitza un model del fèmur definint la seua geometria i la càrrega que s’aplicarà, la qual será escollida per l’usuari, per a posteriorment realitzar l’analisi mitjançant elements finits. En els resultats obtinguts es podrá veure l’efecte de diversos factors que la densitometria no recull com la geometria del coll del fémur o si existeixen en defe

[EN] En el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales se han estado desarrollando códigos eficientes de Elementos Finitos, en MATLAB, basados en la utilización de mallados cartesianos independientes de la geometría. Además el departamento dispone del software comercial GiD (http://www.gidhome.com/), con el que es posible generar modelos geométricos y de asignar condiciones de contorno (pre-proceso), y también resulta posible representar el output que se obtiene de los análisis mediante gráficos (post-proceso). El objetivo de este proyecto es el de desarrollar una interfaz que permita la comunicación directa entre los códigos 3D desarrollados hasta ahora, con el software comercial que permitirá obtener una mayor productividad en el proceso de diseño debido a la sinergia que producirá la combinación de las distintas herramientas. El trabajo se basa en trabajos previos en los que se ha utilizado el programa GiD, [ES] En el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales se han estado desarrollando códigos eficientes de Elementos Finitos, en MATLAB, basados en la utilización de mallados cartesianos independientes de la geometría. Además el departamento dispone del software comercial GiD (http://www.gidhome.com/), con el que es posible generar modelos geométricos y de asignar condiciones de contorno (pre-proceso), y también resulta posible representar el output que se obtiene de los análisis mediante gráficos (post-proceso). El objetivo de este proyecto es el de desarrollar una interfaz que permita la comunicación directa entre los códigos 3D desarrollados hasta ahora, con el software comercial que permitirá obtener una mayor productividad en el proceso de diseño debido a la sinergia que producirá la combinación de las distintas herramientas. El trabajo se basa en trabajos previos en los que se ha utilizado el programa GiD, [CA] En el Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials s'han estat desenvolupant codis eficients d'Elements Finits, en MATLAB, basats en la utilització de mallats cartesians independents de la geometria. A més, el departament disposa del programa comercial GiD (http://www.gidhome.com/), amb el que és possible generar models geomètrics i assignar condicions de contorn (preprocés), i també resulta possible representar els resultats que s'obtenen de les anàlisis per mitjà de gràfiques (post-procés) . L'objectiu d’aquest projecte és el de desenvolupar una interfície que permeta la comunicació directa entre els codis 3D elaborats fins ara amb el programa comercial, que permeta obtindre una major productivitat en el procés de disseny degut a la sinergia que produeix la combinació de les distintes ferramentes. El treball es basa en projectes previs en què s'ha utilitzat el programa GiD.

[ES] En este proyecto se han desarrollado un procedimiento para determinar expresiones matemáticas que permiten evaluar el factor de concentración de tensiones (Kt) de componentes estructurales. Estas expresiones servirán para evaluar el factor de concentración de tensiones frente a cargas axiales, de flexión y de torsión, lo que permitirá determinar la tensión máxima del componente. En la bibliografía se pueden encontrar gráficas para evaluar el factor de concentración de tensiones de diversos componentes estructurales, pero el hecho de tener que obtener este dato a través de dichas gráficas dificulta la posible automatización de su diseño, que requeriría expresiones matemáticas como las desarrolladas en este proyecto. A diferencia de los procedimientos experimentales seguidos para elaborar las gráficas de concentración de tensiones que se pueden encontrar en la bibliografía, en este proyecto se ha utilizado el Método de los Elementos Finitos (MEF), en concreto se ha usado el código comercial ANSYS®. Dado que con una adecuada modelización los resultados del MEF convergen a la solución exacta, los cálculos del MEF permiten mejorar algunos resultados afectados de errores debidos a los procedimientos experimentales con que se desarrollaron las gráficas de la bibliografía. ANSYS® nos proporcionará una muy buena aproximación a los valores de tensión máxima para cada caso de carga y geometría. El cociente entre este valor de tensión máxima y el valor de tensión nominal calculado de forma teórica mediante las formulas correspondientes proporciona el factor teórico de concentración (Kt) para cada caso. Una vez obtenidos dichos valores de Kt a través del MEF, graficándolos mediante Excel se pueden comparar con las curvas que podemos encontrar en prontuarios. De este modo comprobaremos la fiabilidad del procedimiento seguido. Posteriormente, utilizando OCTAVE 4.0.2, se ajustará una superficie matemática a los resultados del MEF para obtener la ecuación que se usará en los pr

En el diseño de componentes estructurales se ha de tener en cuenta la concentración de tensiones creada por cambios de geometría debidos a cambiós de sección, agujeros, etc. El diseñador dispone de gráficas que permiten determinar el valor del factor de concentración de tensiones, Kt, que habrá de tenerse en cuenta para evaluar la tensión real que se da en el componente sometido a los distintos tipos de carga a los que puede estar sujeto. El hecho de que Kt se obtenga de gráficas dificulta la automatización de los cálculos. Así, este trabajo tiene como objetivo determinar expresiones matemáticas que permitan determinar numericamente el valor del factor de concentración de tensiones de un tubo con un agujero transversal. Para ello se generará un modelo geométrico del concentrador de tensiones, definido en función de los parámentros que determinan la geomentría del componente. El modelo paramétrico permitirá generar un conjunto amplio de geometrías que serán analizadas mediante el método de los elementos finitos obteniéndose el valor de Kt para cada una de ellas. Se ajustarán superficies de interpolación a los valores obtenidos que permitirán evaluar el valor de Kt para cualquier valor de los parámetros que se usen para definir la geometría del concentrador de tensiones. Una vez definidas, estas superficies de interpolación se podrán usar en procedimientos automáticos de cálculo resistente de componentes mecánicos que tengan este tipo de concentradores de tensiones.

[ES] El objetivo del Trabajo Fin de Máster consiste en diseñar, construir y evaluar experimentalmente una mano antropomórfica accionada por cable. La mano se deberá diseñar para ser fabricada utilizando tecnología de impresión 3D y se empleará en laboratorio para evaluación experimental de las capacidades prensiles de una mano artificial. La mano tendrá cinco dedos, del mismo modo que una mano humana y tendrá 6 grados de libertad, cada uno accionado con un cable y retorno por sistemas elásticos. El pulgar se accionará con 2 grados de libertad, uno para flexión y otro para abducción y el resto de dedos con 1 grado de libertad de flexión. El accionamiento de los cables que mueven la mano se realizará con los dedos de un operador humano, de modo que dicho operador pueda utilizar la mano mecánica como una prolongación de su propia mano, para agarrar una variedad de objetos en ensayos de laboratorio. El dispositivo de accionamiento incluirá sensores que permitan medir y registrar en un ordenador los movimientos de cada cable durante los ensayos de laboratorio de agarre de objetos. El análisis de las correlaciones entre movimientos de cada cable permitirá analizar las sinergias empleadas en