Doctorado en Ingeniería - Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
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Ítem Diseño de placas funcionalmente gradadas mediante el método de optimización topológica para aplicaciones de impacto a velocidad baja y media.(Universidad Nacional de Colombia, 2021) Ramírez Gil, Francisco Javier; Montealegre Rubio, Wilfredo; Grupo de Diseño y Optimización Aplicada (DOA)Los materiales funcionalmente graduados (MFGs) son un tipo de compuestos en los que la microestructura, la composición u otras características se modifican de forma continua a través de una o varias direcciones, lo que permite una variación suave de las propiedades a lo largo del volumen. Este concepto también es aplicable a las estructuras, lo que se conoce como estructuras funcionalmente graduadas (EFGs). En particular, la idea de la gradación está ampliamente explotada en la naturaleza, por ejemplo, en los huesos, los dientes, los cuernos, los picos de las aves y la madera, donde la mayoría de las cargas son de tipo dinámico. Además, muchas de estas estructuras biológicas no solo son gradadas sino también porosas, lo que ayuda a la naturaleza a utilizar eficazmente el material y a construir estructuras ligeras. Así, siguiendo estos conceptos bioinspirados, esta investigación explora el diseño mediante el método de optimización topológica (MOT) de estructuras bajo cargas de impacto con porosidad gradada. Los impactos son fenómenos dinámicos de corta duración e intensidad elevada que pueden producir daños importantes a las estructuras impactadas. Dependiendo de la energía del impacto, el problema se puede modelar como un fenómeno transitorio lineal o un complejo problema que involucra parte o todas las formas de no linealidad como plasticidad, contacto y grandes deformaciones, desplazamientos y rotaciones. En esta tesis se trata el impacto en dos regímenes de acuerdo a la típica clasificación basada en la velocidad: impacto a baja velocidad que se modela como un fenómeno lineal e impacto a velocidad media en donde se incluirán todos los tipos de no linealidad. Para ello, se plantean dos líneas de investigación. La primera considera el diseño de estructuras bajo impacto lineal con el MOT basado en gradientes, la estructura se analiza mediante el método de los elementos finitos (MEF) y la ecuación de movimiento semidiscreta se integra en el tiempo con un método de integración directa implícito (Newmark). En esta línea se diseñan EFGs porosas a nivel macroscópico con porosidad variable de forma predefinida buscando la máxima rigidez y el mínimo peso cuando se aplican cargas transitorias. Para alcanzar dicho objetivo, utilizamos una restricción local por elemento especificando límites superiores en el volumen de material localizado en la proximidad de cada elemento, la cual se trata como una norma $p$ para formar una restricción global equivalente para facilitar un proceso de optimización eficiente. Esta restricción se explora de varias maneras para producir diversos EFG porosas. Todo este proceso se implementa en MATLAB. El segundo enfoque considera el diseño de estructuras bajo impacto no lineal de media velocidad usando el MOT sin gradientes, el MEF considera todas las no linealidades y se utiliza un método de integración explícita (diferencia central). La porosidad aquí se logra mediante la restricción de la fracción de volumen de cada capa de una estructura multicapa. Este proceso se realiza en el software comercial LS-TaSC para la optimización y LS-Dyna para el análisis MEF. Las EFG porosas diseñadas en este trabajo pueden potencialmente satisfacer tanto las necesidades de ligereza como las de alta absorción de energía requeridas para aplicaciones sometidas a cargas de impacto, como en la industria automovilística, biomédica y quizás en otras más complejas como en la industria militar. (Texto tomado de la fuente)Ítem Magnesium-based bioresorbable cellular metal as bone substitute(Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín, 2021) Posada Pérez, Viviana Marcela; Ramírez Patiño, Juan Fernando; Fernández Morales, Gloria Patricia; Grupo de Investigación en Biomecánica e Ingeniería de Rehabilitación (GI-BIR)The design and development of an osteoinductive environment to reconstruct and treat large bone defects is still a challenge. Biodegradable porous metals have been proposed to bridge healthy parts of the tissue when the lesion overcomes the bone self-healing capacity. Mg-based scaffolds promise to assist in this bridging process, providing the mechanical properties and adapting to the new requirements such as weight and geometry as the healing time advances. Moreover, the porous condition guides the tissue and blood vessels' growth, and the release of Mg2+ accelerates the healing process. However, the Mg support is limited by its rapid degradation, which hinders the appropriate integration with the tissue. Additionally, the degradation is again accelerated in the porous condition, and the complex geometry limits the application of current protection methods. The present thesis aims to create an open-porous Mg-based scaffold for bone tissue engineering, focused on enhanced corrosion resistance and biocompatibility. Porous Mg materials were then fabricated in various geometrical configurations: random pores, truncated octahedron, and diamond unit cells. The control over the degradation of the material was achieved by modifying the first nanometers of the surface, avoiding changes in the architecture of the structures, and preserving the bulk properties of the material such as open porosity and lightweight. The nanometric modification was created via low-energy Ar+ irradiation, which developed well-ordered nanostructures on the surface, followed by Al-rich nanoclusters' accumulation. The creation of the Al-rich nanoclusters accelerated the passivation kinetics of the porous Mg, enhancing the apatite nucleation ability when immersing the materials in physiological fluids. Moreover, the apatite formation ability was conditioned to the concentration of Al on the near-surface, which offered surfaces for different biological purposes by tailoring the CaP ratio. Superior properties regarding in vitro biodegradation and biocompatibility were obtained on hydroxylapatite tailored surfaces, such as decreased weight loss, conservation of the strut size during the immersion time, and decreased H2 and Mg2+ release. Furthermore, higher cell density was adhered to and proliferated on the DPNS surfaces indicating outstanding biocompatibility. The increase in biocompatibility was also supported by the formation of focal adhesion points and increased osteogenic potential, and the immune response modulation of the cells seeded on the modified surfaces. Finally, the material was tested in vivo, demonstrating steady corrosion and improved porous structure stability after 8 weeks of implantation in Wistar rats.Ítem Game theory based distributed model predictive control: an approach to large-scale systems control(2012-09-22) Valencia Arroyave, Felipe; Espinosa Oviedo, Jairo José (Thesis advisor)Los sistemas de gran escala son sistemas conformados por diferentes elementos interactuando entre sí. Cada uno de estos elementos tiene asignado un controlador local encargado de de-cidir las acciones de control locales que deben ser aplicadas con el fin de alcanzar un objetivo. Por lo general, estas acciones son tomadas sin tener en cuenta su efecto en el comportamiento de los demás elementos ni en el desempeño global del sistema. Este comportamiento puede llevar al sistema a puntos de operación indeseables. Con el ´animo de resolver este problema, el control de sistemas de gran escala se ha venido formulando como un problema de optimización con restricciones, siendo el control predictivo basado en modelos la estrategia de control más promisoria para el control de este tipo de sistemas. Sin embargo, debido a que el control predictivo basado en modelos es una estrategia de control basada en optimización, no es posible su aplicación directa a sistemas de gran escala, ya que típicamente el control predictivo se implementa de forma centralizada y esto requiere la transmisión de grandes volúmenes de información y el uso de un alto poder computacional. Por tales motivos, los métodos de control distribuido basados en controladores predictivos surgen como una alternativa para su implementación en sistemas de gran escala. A pesar de los esfuerzos dedicados al diseño de estrategias de control distribuido basadas en control predictivo, la cooperación entre subsistemas sigue siendo un problema de investigación abierto. Con el fin de superar este problema, la teoría de juegos surge como un marco teórico alternativo para formular y caracterizar el problema de control predictivo distribuido. La teoría de juegos es una rama de las matemáticas aplicadas dedicada a identificar patrones de comportamiento en situaciones estratégicas, donde el beneficio percibido por cada uno de los individuos involucrados está determinado tanto por sus decisiones como por las decisiones que toman los demás individuos. En esta tesis, se propone una estrategia de control predictivo distribuida basada en juegos de negociación. Sin entrar en detalles, un juego de negociación es una situación en la que varios individuos deciden, conjuntamente, que estrategia es la mejor para alcanzar un beneficio mutuo. El uso de este tipo de juegos como marco de referencia permite tratar el problema de cooperación entre subsistemas usando control predictivo distribuido. Adicionalmente, este marco de referencia permite formular soluciones para el problema de control distribuido en las que los subsistemas no tienen que resolver más de un problema de optimización, facilitando la reducción de la carga computacional asociada a cada problema de optimización local. En el caso particular de esta tesis, tal solución fue propuesta a partir de una caracterización axiomática. Para esta solución, las condiciones para la estabilidad en lazo cerrado también se discuten./Abstarct. Large-scale systems are systems composed of several interacting components. Each component has a local controller with a local control objective, designed to take local decisions without considering the effect of their local control actions into the whole system performance. This issue may drive the system to undesirable closed-loop performance due to the "competition"\ among controllers. In order to overcome this issue, the control of large-scale systems has been formulated as a constrained optimization problem. In this way, model predictive control schemes have been arising as a promising alternative for controlling large-scale systems. Since model predictive control is an optimization based control scheme its centralized application in large-scale systems may become impractical because it may require the exchange of large amounts of information and the usage of high computational power. Therefore, distributed model predictive control schemes arise as an alternative for the implementation of model predictive control schemes in large-scale systems. Despite of the efforts dedicated to design methods for distributed model predictive control, the cooperation among subsystems still remains as an open research problem. In order to overcome this issue, game theory arises as an alternative to formulate and characterize the distributed model predictive problem. Game theory is a branch of applied mathematics used to capture behaviors in strategic situations where the outcome of a player is function not only of his choices but also depends on the choices of others. In this thesis, a bargaining game based distributed model predictive control scheme is proposed. Roughly speaking, a bargaining game is a situation where several players jointly decide which strategy is best with respect to their mutual benefit. This allows to deal with the cooperation issues of the distributed model predictive control problem. Additionally, the bargaining game framework allows to formulate solutions for the distributed model predictive control problem where the subsystems do not have to solve more than one optimization problem at each time step. This, also allows to reduce the computational burden of the local optimization problems. In the particular case of this thesis, such solution is proposed based on an axiomatic characterization. For the proposed solution, the conditions for the closed-loop stability are also discussed.Ítem Nivel de confort y distribución de esfuerzos en la Interfaz Socket – Muñón en amputados transfemorales(2011) Ramírez Patiño, Juan Fernando; Toro Betancur, Alejandro (Thesis advisor); Pavón Palacio, Juan José (Thesis advisor)A medida que avanza la tecnología también lo hace el desarrollo de dispositivos que permitan generar un mayor bienestar a los seres humanos; sin embargo, existen situaciones que siguen siendo difíciles de resolver aún con la tecnología actual. Estas situaciones básicamente tienen que ver con lo más profundo del ser humano; aquello que sólo cada individuo es capaz de interpretar o valorar de acuerdo a su propia percepción, pero que a la vez puede estar influenciada por agentes externos. En la actualidad, según la Organización Mundial para la Salud [1], incluyendo los niños, cerca de un 15% de la población mundial sufre algún tipo de discapacidad, situación que obliga a la comunidad científica y tecnológica a generar cada día soluciones protésicas, médicas o terapéuticas que le permitan a esas personas llevar una vida más cercana a lo normal. Al igual que la mayoría de los productos que hoy la población mundial consume, las soluciones protésicas no han sido ajenas al redireccionamiento en su proceso de diseño, es decir, en estos dispositivos también hoy el usuario juega un papel primordial, puesto que es él quien se ve afectado positiva o negativamente por las características y desempeños que tenga el producto. Un aspecto básico y al mismo tiempo complejo que interviene directamente en los parámetros de diseño de cualquier dispositivo que vaya a ser usado por un ser humano, discapacitado o no, es el confort. Una prótesis de miembro inferior para amputados transfemorales, como la que se muestra en la Figura 1, consta generalmente de los mismos elementos: socket o encaje, rodilla protésica, tubos, adaptadores y pie, y es normalmente usada para restituir tanto la apariencia como la movilidad funcional del individuo afectado. Esta interrelación hombre – prótesis se hace mediante el socket, uno de los componentes del dispositivo, y su correcto diseño, fabricación y ajuste son definitivos en el éxito del proceso de adaptación a la prótesis [2], [3], [4], [5], [6],[7], puesto que la percepción de no confort y problemas en la piel son normalmente asociados a un mal ajuste del socket y excesivas cargas que esta situación puede generar sobre el miembro residual./Abstract. As technology advances so does the development of devices that will generate greater welfare of human beings, but there are situations that remain difficult to solve even with the technology today. These conditions basically relate to the depths of being human only what each individual is able to interpret or assess according to their own perception, but that in turn may be influenced by external agents. At present, according to World Health Organization [1], including children, about 15% of the world population suffers from some form of disability, situation that requires scientific and technological community to generate each day prosthetic, medical or therapeutic that will enable those people lead a life closer to normal. Like most products that today the world's population, prosthetic solutions have not been outside the funnel in the process design, ie, these devices now also plays a role user paramount, since it is he who is affected positively or negatively by the features and performance that has the product. A basic and while complex directly involved in the design parameters any device that will be used by a human being, disabled or no, is comfort. A lower limb prosthesis for transfemoral amputees, such as that shown in Figure 1, consists generally of the same elements: socket or lace, knee prostheses, pipes, fittings and foot, and is normally used to restore both the appearance and functional mobility of the affected individual. This relationship man - prosthetic socket is done by one of the device components, and proper design, manufacture and fit are definitive success of the adaptation to the prosthesis [2], [3], [4], [5], [6], [7], since the perception of comfort and no skin problems are normally associated with a poor fit of the socket and that excessive loads situation can generate on the residual limb.