Tesis Doctorales

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https://hdl.handle.net/10016/2

Archivo Abierto Institucional de la Universidad Carlos III de Madrid: Tesis Doctorales

Esta colección contiene tesis leídas en la Universidad Carlos III, cuyos autores han autorizado su depósito en E-Archivo. A partir de 2012 se depositan todas las tesis leídas en la Universidad Carlos III de Madrid, conforme a lo dispuesto en el Real Decreto 99/2011, de 28 de enero por el que se regulan las enseñanzas oficiales de doctorado (art. 14.5), y al Reglamento de la Escuela de Doctorado de la Universidad Carlos III de Madrid, de 7 de febrero de 2013 (art. 26.5, art. 31.1 y art. 32.2).

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Técnicas avanzadas para la percepción de vehículos autónomos en plataformas reales
(2024-01) Cortés Lafuente, Irene; García Fernández, Fernando; Escalera Hueso, Arturo de la; UC3M. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática; Escalera Hueso, Arturo de la
Los vehículos autónomos se han convertido en un campo de investigación y desarrollo en constante evolución, prometiendo revolucionar la manera en que nos desplazamos y percibimos el entorno. El sistema de percepción embarcado es crucial en este desarrollo, ya que posibilita a los vehículos detectar y reconocer objetos, identificar obstáculos, interpretar señales de tráfico y calcular distancias y velocidades, y junto con un mapa de los alrededores, permite al vehículo tener una representación completa y precisa de su entorno. La información procesada y combinada se utiliza luego en el módulo de navegación, que se encarga de generar una ruta para el vehículo. Finalmente, la información del sistema de percepción y la ruta planificada se utilizan en el módulo de control, que se encarga de llevar a cabo las acciones necesarias para que el vehículo se desplace de manera segura y precisa. Sin embargo, la implementación de estas tecnologías en plataformas reales enfrenta desafíos significativos, especialmente en términos de fiabilidad, adaptabilidad y precisión. La investigación presentada en esta tesis se sitúa en el nexo de los sensores embarcados, el procesamiento de datos y las técnicas de inteligencia artificial para mejorar la percepción de los vehículos autónomos. Basándose en estudios previos y en la creciente disponibilidad de datasets, este trabajo explora técnicas que permiten la aplicación efectiva de algoritmos teóricos en plataformas reales. Primero, se propone un método que gestiona las detecciones en imagen en sistemas multicámara, permitiendo obtener una lista de detecciones únicas sin limitaciones por el campo de vista de cada sensor. A continuación, se estudian distintas técnicas de adaptación de dominio para detección de objetos en 3D, primero generando datos sintéticos para el entrenamiento de redes que se asemejen a los del dominio de destino y después aplicando técnicas de entrenamiento adversario a la propia red de manera que se reduzca la influencia del dominio a la hora de procesar los datos. Finalmente, se presenta el sistema de percepción completo implementado en un prototipo funcional y se exponen las pruebas realizadas en situaciones de tráfico real. Todos los métodos propuestos han sido validados experimentalmente utilizando bases de datos de referencia (como KITTI o nuScenes) en el campo de la percepción de vehículos autónomos.
Analysis of the Alfvenic activity in the Stellarator devices QPS and TJ-II
(2024-06) Ortiz Luengo, Juan; Martín Solís, José Ramón; Varela Rodríguez, Jacobo; UC3M. Departamento de Física; Martín Solís, José Ramón
No se conoce una fuente de energía más poderosa que la fusión nuclear. Este fenómeno crea y sustenta las estrellas y, en última instancia, es el origen de todas las fuentes de energía aprovechables por el ser humano. La energía solar se utiliza directamente; la eólica se genera por el movimiento de masas de aire causado por su calentamiento y enfriamiento; la hidroeléctrica aprovecha la energía potencial gravitatoria del agua evaporada por el sol y depositada a mayor altura en forma de lluvia; los combustibles fósiles y orgánicos, como la madera, el carbón, el petróleo o el gas, son materia orgánica que formó y almacenó su energía en procesos biológicos que absorbieron energía solar. Incluso los materiales radiactivos como el uranio, usados en reactores de fisión, fueron generados durante explosiones de supernovas. El potencial de esta fuente de energía se ha demostrado desde los años 50 en el uso bélico, cuando los ensayos de armas nucleares de fisión-fusión liberaban inmensas cantidades de energía. El uso controlado y pacífico de la fusión nuclear es un objetivo para el desarrollo humano que puede abrir las puertas a nuevas fronteras de conocimiento y representaría un avance significativo como fuente de energía ante la creciente demanda global. La fusión termonuclear requiere condiciones extremas para producirse, con temperaturas de cientos de millones de grados, lo que provoca que los elementos del combustible se encuentren en estado de plasma. En estas condiciones, los electrones se separan de sus núcleos, resultando en masas cargadas eléctricamente (electrones e iones). Para que la energía liberada en los procesos de fusión nuclear sea controlada, económicamente viable y aprovechable, es necesario entender y predecir la naturaleza del plasma. Dado que las condiciones para la ignición en fusión son menos exigentes para los isótopos del hidrógeno, la primera generación de reactores estará diseñada para utilizar plasmas generados por deuterio (D) y tritio (T). Sin embargo, ningún material puede soportar la temperatura del plasma; por ello, una forma de controlarlo es mediante el confinamiento magnético, aprovechando que el plasma está cargado eléctricamente para reconducirlo mediante campos magnéticos y evitar que entre en contacto con las paredes del reactor. Existen dos principales líneas de diseño de reactores de fusión por confinamiento magnético: los tokamaks y los stellarators. Aunque presentan notables diferencias en cuanto a su geometría y propiedades de confinamiento, ambos enfrentan muchos de los retos de ingeniería que surgen al intentar controlar y aprovechar energéticamente el plasma. Los métodos de calentamiento y muchas de las inestabilidades que surgen en el plasma son idénticos en ambos casos. Evitar o poder manejar estas inestabilidades es crucial para que los reactores resulten económicamente viables. Los experimentos de fusión en prototipos de reactores, junto con los progresos teóricos en física de plasmas, permiten avanzar en el entendimiento de este campo de investigación, en el que aún queda mucho trabajo por hacer. El desarrollo de códigos basados en modelos matemáticos que describan la naturaleza del plasma y predigan su comportamiento es crucial para diseñar reactores eficientes. Este trabajo utiliza dichos códigos para estudiar la estabilidad de plasmas calentados mediante haz de inyección de neutros (NBI). Este método introduce partículas energéticas (EP) en el plasma, que transfieren su energía cinética mediante colisiones para producir calentamiento. Este proceso puede producir resonancias en el plasma y generar ondas magneto-hidrodinámicas conocidas como ondas Alfvénicas dando origen a inestabilidades que afectan negativamente el confinamiento y el rendimiento del dispositivo. Para abordar el estudio de este fenómeno en este trabajo se utilizan los códigos VMEC, Stellgap y, especialmente, FAR3d. VMEC calcula las configuraciones de equilibrio del plasma; Stellgap ofrece un rango continuo de frecuencias en las que pueden oscilar las ondas de Alfvén (continuo de Alfvén); y FAR3d reproduce las inestabilidades alfvénicas mediante un código girofluido para estudiar el efecto de las partículas energéticas sobre el plasma. Esta tesis estudia la actividad Alfvénica en dispositivos tipo Stellarator para dos casos. El primero es puramente teórico y está dedicado a analizar las inestabilidades que podrían surgir en el dispositivo Quasi Poloidal Stellarator (QPS), así como el régimen operacional óptimo del NBI. El segundo es un estudio basado en datos experimentales del dispositivo TJII, donde se identifican los tipos de inestabilidades detectadas en la fase de calentamiento del plasma y se sugieren de forma hipotética los regímenes operacionales óptimos de un NBI que podría mejorar el rendimiento de la máquina.
Miniaturization of Antennas and Wireless Power Transfer System for Biomedical Implantable Devices
(2024-07) Lamkaddem, Abdenasser; Segovia Vargas, Daniel; UC3M. Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones; Segovia Vargas, Daniel
Esta tesis explora los retos y avances de las tecnologías Wireless Implantable Medical Device (WIMD)s y Wireless Power Transfer (WPT)s. Estas tecnologías han revolucionado la atención sanitaria al permitir la monitorización remota de las constantes vitales, reducir la necesidad de las visitas tradicionales al hospital y mejorar la atención al paciente. Los WIMDs, parte integrante de este proceso, atienden a diversas aplicaciones médicas como la monitorización de la presión sanguínea, la administración de fármacos y los dispositivos cardíacos. Sin embargo, el diseño de antenas para estos dispositivos presenta numerosos retos, como las limitaciones de tamaño, la biocompatibilidad y el mantenimiento de una funcionalidad óptima dentro del intrincado entorno del cuerpo humano. Para hacer frente a estos retos, se han desarrollado dos nuevas soluciones de antena. Con esto en mente, el proyecto aborda diferentes aspectos, como la antena receptora, que se insertará en el interior del cuerpo humano, y el rectificador, que convertirá la energía Radio Frequency (RF) en Direct Current (DC), junto con la antena transmisora. La rectenna, formada por la antena implantable y el rectificador, debe ser lo más pequeña posible. Hemos conseguido mantener la rectenna dentro de un límite de 7 × 7 mm2 colocando el rectificador en la parte inferior de la antena implantable en lugar de diseñarlo a su lado. La ganancia ha sido de alrededor de -23 dBi a 915 MHz y de alrededor de -21 dBi a 1470 MHz. El ancho de banda de impedancia fue de alrededor del 20% en la banda de frecuencia más baja y de alrededor del 15% en la banda de frecuencia más alta. La antena transmisora tiene un tamaño compacto de 50 × 50 mm2. La rectenna alcanza un Power Transfer Efficiency (PTE) de aproximadamente 0,9%. Se han fabricado los prototipos y se han observado buena concordancia entre los resultados simulados y las medidas. En primer lugar, se ha presentado una antena implantable compacta que opera en la banda Industrial Scientific and Medical (ISM) (915 MHz), con un ancho de banda de impedancia de 18,9% y un ancho de banda Axial Ratio (AR) de 17%. Tiene un tamaño compacto de 5,2 × 5,6 × 0,25 mm3. Las técnicas utilizadas en el desarrollo de este diseño fueron la línea de meandros y el sustrato de alta permitividad, que ayudan a la miniaturización. Por otro lado, se utilizó una estructura en forma de U para garantizar la característica Circularly Polarized (CP) de la antena propuesta. Esta antena se ha diseñado para ser utilizada en el nuevo Leadless Cardiac Pacemaker Systems (LCP), que ayuda a regular los latidos del corazón del paciente. Estos dispositivos son de tipo cápsula y tienen unas dimensiones reducidas de 42 × 6 mm2. En comparación con las antenas de última generación, nuestra solución tiene el tamaño más pequeño y mejores prestaciones en cuanto a ancho de banda AR, ancho de banda de impedancia y ganancia. En segundo lugar, se diseñó una antena de doble banda que opera en 915 MHz y 2400 MHz, exhibiendo anchos de banda amplios de 12,6% y 12,8% y ganancias relativamente altas de -21,8 dBi y -19,2 dBi, respectivamente, para aplicaciones implantables. En este diseño se ha utilizado una línea serpenteante combinada con una estructura de bucle con fines de miniaturización, lo que ha dado lugar a una antena de pequeño tamaño de 7 × 7 × 0,25 mm3. El prototipo se probó en entornos de tejido de salmón y carne de cerdo picada, mostrando resultados prometedores en términos de tamaño, ancho de banda y ganancia. Se han observado una buena concordancia entre los resultados simulados y las medidas. En tercer lugar, la investigación se adentra en el ámbito de las tecnologías WPT para prolongar la vida útil de las baterías de estos dispositivos. La tesis pretende desarrollar un sistema eficiente de WPT para WIMDs con el fin de superar las limitaciones que supone la limitada vida útil de las baterías, reduciendo así la necesidad de frecuentes cirugías debido al agotamiento de las baterías y los consiguientes costes médicos. La utilización de la tecnología WPT es prometedora para mejorar la longevidad y funcionalidad de los Implantable Medical Device (IMD), revolucionando el campo de la asistencia sanitaria.
Microstructural design in martensitic stainless steels via quenching and partitioning to improve their mechanical properties
(2023-12) Sierra Soraluce, Andrés; Sabirov, Ilchat; UC3M. Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química; Torralba Castelló, José Manuel
Quenching and partitioning (Q&P) treatment has been proven effective in manufacturing advanced high strength steels with high content of retained austenite, showing the improved balance of high strength and sufficient ductility. This method has been very well elaborated for carbon steel processing over the last two decades. Though it can also be potentially applied for processing other steel families, this has been scarcely studied. Recent research, albeit limited, has shown the viability of Q&P treatment for processing martensitic stainless steels showing an improved balance of high strength and sufficient ductility. However, their application-related properties have never been investigated. This thesis focuses on the effect of chemistry and heat treatment parameters on the microstructure and properties of Q&P-treated martensitic stainless steels. Three different martensitic stainless steels with different contents of alloying elements are subjected to Q&P processing with varying Q&P parameters. It is demonstrated that the Q&P-treated martensitic stainless steels can show a favorable combination of enhanced strength and sufficient tensile ductility. Their uniform elongation increases with the increasing volume fraction of retained austenite, attributed to the transformation induced plasticity (TRIP) effect. The alloy-process-microstructure-property relationship is discussed. High-cycle fatigue performance and formability of the Q&P-treated martensitic stainless steels is explored. The results reveal satisfactory high-cycle fatigue performance, surpassing that of their traditional counterparts. Fatigue cracks predominantly form and propagate along martensite packet and block boundaries, while prior austenite grain boundaries, MnS inclusions and nanocarbides have minimal influence on fatigue crack formation and growth. To assess the mechanical behavior of the Q&P-treated martensitic stainless steels during cold forming, a computational approach is developed. The Johnson‐Cook (J‐C) constitutive model and Forming Limit Diagram (FLD) are derived and validated for each alloy using experimental data from tensile and Nakajima tests. From the simulated FLD, a theoretical Forming Limit Stress Diagram (FLSD) is calculated. The latter is used as a fracture criterion for the cold‐forming process. Cold stamping simulations of two automotive parts, the B‐pillar and tunnel, are conducted using the J‐C constitutive model and the FLSD. The study demonstrates successful cold forming of the tunnel using all three studied steels. In contrast, extensive cracking is expected during the cold forming of the B‐pillar for all materials. The life cycle cost analysis reveals that initial materials acquisition costs dominate total material costs, followed by final heat treatments, casting, and hot rolling. Q&P-treated grades are more cost-effective than traditional austenitic stainless steel, as the latter is comparatively expensive due to its high nickel content. The Q&P process demonstrates low energy intensity and cost, indicating minimal impact on overall manufacturing energy and material costs upon implementation. While the Q&P process has no direct effect on carbon emissions, its adoption may indirectly reduce manufacturing-related emissions by utilizing lower nickel content materials compared to standard austenitic stainless steels.
Banking Union and SSM: Challenges and opportunities regarding sanctioning and supervisory proceedings
(2023-10) Bosque Argachal, Carlos; Ramos Muñoz, David; UC3M. Departamento de Derecho Privado
La víctima del delito de trata de personas a la luz de la legislación y jurisprudencia española y argentina
(2023-11) Juan, Melina; Soleto Muñoz, Helena; Otero González, María Pilar; UC3M. Departamento de Derecho Penal, Procesal e Historia del Derecho
Three essays on digitalization
(2023-10) García Romanos, Jesús; Martínez Ros, Ester; UC3M. Departamento de Economía de la Empresa; Agencia Estatal de Investigación (España); Comunidad de Madrid
This doctoral thesis comprises three chapters on firms’ digital transformation consequences. In chapter one, we analyze how digitalization, specifically investment in information technology assets and R&D, affects employment levels in the context of European companies in 2015 and 2016. In the second chapter, we continue the analysis of the employment effects of digitalization through the analysis of the relationship between firms’ digitalization focus and their workforce restructuring decisions in US public companies between 2002 and 2016. Finally, chapter three addresses the relationship between firms’ digitalization focus, environmental best practices and controversies, and how they affect financial performance framed in US-listed companies between 2000 and 2019. These three essays help us better understand digitalization’s consequences on two key social concerns, employment and the environment, allowing the design of policies that help companies to digitally transform their business while caring for society and the planet.
La Cooperación Sur-Sur como herramienta para alcanzar el desarrollo sostenible en América Latina. Análisis desde los derechos humanos, con un enfoque de género interseccional
(2023-11) D'Angelo, Eugenia; Ribotta, Silvina Verónica; Manero Salvador, Ana María; Universidad Carlos III de Madrid.
Las imágenes-mirada panópticas. El sueño hegemónico de la cultura de la vigilancia en el mundo anglosajón a través de las ficciones seriales televisivas
(2024-07) Vega Garrido, Eduardo; Cascajosa Virino, Concepción Carmen; Universidad Carlos III de Madrid.
El muerto justo: Paradigmas sociales en el duelo de los muertos violentos en Colombia durante la segunda mitad del siglo XX
(2024-07) Osorio Rojas, Angela María; Broncano Rodríguez, Fernando; Universidad Carlos III de Madrid.
Violencia, trauma y mujer: un estudio sobre la obra narrativa de Alicia Kozameh
(2024-07) Lyu, Gaojie; Aventín Fontana, Alejandra María; Ventura Páez, María Laura; Universidad Carlos III de Madrid.
El presente trabajo propone un estudio exhaustivo en torno a la obra narrativa de la escritora argentina Alicia Kozameh (Rosario, 1953) en el que se va a explorar de qué modo representa la violencia, el exilio y el trauma en su imaginario literario, con el fin de poner de manifiesto el valor de la producción narrativa de la escritora y visualizar su lugar en la literatura argentina. A lo largo de esta tesis, se pretende visualizar la literatura hispanoamericana y la literatura argentina para contextualizar las novelas de Kozameh; las producciones literarias de los escritores argentinos en el exilio y de Alicia Kozameh en particular; los abusos de poder hacia las mujeres y los mecanismos de resistencias de las víctimas; la represión a las presas políticas ejercidas por el poder dictatorial y sus resistencias; las teorías sobre la violencia y el trauma. Con el estudio de estas, se puede realizar el análisis sobre todas las novelas de Kozameh. Además, es imprescindible señalar que el tema de la obra narrativa de Kozameh no se limita a la violencia, el exilio y la denuncia de la violación de los derechos humanos, sino que también se extiende a otros territorios, tales como el exilio, el cuerpo, la búsqueda de la identidad, la subjetividad femenina y la memoria, entre otros.
Factores individuales e institucionales que influyen en la intención de compartir datos de investigación en repositorios. El caso de la Universidad Nacional de Rosario
(2024-07) Bongiovani, Paola Carolina; Méndez Rodríguez, Eva María; Miguel, Sandra Edith; Universidad Carlos III de Madrid.; Hernández Pérez, Antonio
Desarrollo humano de las mujeres indígenas en América Latina. Una mirada Interseccional de los derechos humanos de las mujeres indígenas en Ecuador
(2023-11) Coro Guairacaja, Beliza; Ribotta, Silvina Verónica; Universidad Carlos III de Madrid.; Ribotta, Silvina Verónica
Role of porous microstructure on dynamic shear localization and ductile failure
(2024-01) Ambikadevi Rajasekharan Nair, Vishnu; Rodríguez-Martínez, José A.; UC3M. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras; European Commission; Rordríguez-Martínez, José A.
This doctoral thesis aims to provide a comprehensive analysis of the role of porous microstructure on dynamic shear localization and ductile failure. For this purpose, a computational approach was developed that includes large-scale 3D finite element models incorporated with actual porous microstructures that are derived from different additively manufactured materials. This is the distinctive feature of the numerical simulations conducted in this study, in which a large population of voids that are statistically representative of the actual porosity in 3D-printed metals has been included. Additional microstructures varying the void volume fraction, the mean and standard deviation of the size distribution of voids were generated, enabling a systematic parametric analysis of the microstructural features. Finite element simulations of multiple shear bands formation in radially collapsing thick-walled cylinders and shear band formation in thin-tubes subjected to dynamic torsion were performed to investigate the effect of spatial and size distribution of voids on dynamic shear localization. The numerical results demonstrate that microstructural porosity promotes dynamic shear localization, determining preferential sites for the nucleation of the shear bands, accelerating their development, and tailoring their direction of propagation. Specifically, collapsing thick-walled cylinder calculations bring out that, for a given void volume fraction more shear bands are nucleated as the number of voids increases, while the shear bands are triggered earlier and develop faster as the size of the pores increases. Moreover, the numerical results for porous thin-tubes subjected to dynamic torsion quantitatively show that the size of the largest pore is a main microstructural feature controlling the specimen ductility. Furthermore, this numerical methodology was extended to perform unit-cell calculations to investigate the void growth in porous ductile materials under monotonic loading conditions by prescribing constant triaxiality and Lode parameter throughout the loading. The simulations were carried out with random spatial distributions of pores and with void clusters. The calculations with random spatial distribution of voids revealed that the interaction between neighboring pores dictates the volume evolution of individual voids, especially at higher macroscopic triaxiality. The calculations with clusters demonstrated that pores clustering promotes localization/coalescence due to increased interaction between the voids, resulting in an increased growth rate of voids in clusters with large number of pores. Moreover, the results for the evolution of the distribution of plastic strains in the unit-cell have provided some quantitative indications of the role of porous microstructure on the development of heterogeneous plastic strain fields which promote macroscopic strain softening.
No sólo los “temas de interés humano”: El compromiso literario en las novelas de Belén Gopegui
(2024-06) Zhang, Shenshen; Pérez-Rasilla Bayo, Eduardo; UC3M. Departamento de Humanidades: Filosofía, Lenguaje y Literatura; Pérez-Rasilla Bayo, Eduardo
La diplomacia pública interna como ejercicio de comunicación institucional. Análisis de situación para una estrategia en el caso español
(2024-05) Doncel Martín, Israel; Elías Pérez, Carlos José; UC3M. Departamento de Comunicación
La presente tesis doctoral realiza una investigación en torno al concepto de diplomacia pública interna, analizándolo dentro del campo de la comunicación institucional, y justificando -a través de casos de estudio, entrevistas en profundidad y revisión bibliográfica- su ejercicio desde este ámbito, algo que no siempre ocurre en la actualidad. Basándose en las fuentes señaladas aporta además dos definiciones propias de los conceptos de diplomacia pública y diplomacia pública interna. Incluye también un estudio cuantitativo que pretende ser un punto de partida en el diseño de una estrategia comunicativa de diplomacia pública interna para España. Este estudio se centra en la percepción que los españoles tienen de los posicionamientos internacionales del país que gozan de un mayor consenso entre los diferentes gobiernos de la historia de la democracia, tales como la colaboración con países aliados o la participación en organismos supranacionales como la Unión Europea o la Organización de Naciones Unidas. Además, analiza cómo los perfiles de consumo informativo de los encuestados afectan o condicionan sus respuestas. De este modo, gracias al estudio, se pueden identificar los mensajes más relevantes sobre los que esta comunicación para la diplomacia pública interna española debería realizar más esfuerzo. La investigación se ocupa también del análisis de la principal herramienta de diplomacia pública interna de España: la Red de Casas, un conjunto de instituciones dependiente del Ministerio de Asuntos Exteriores, en consocio con administraciones autonómicas, dedicadas a acercar diferentes culturas e identidades a la sociedad española. Profundiza así en su papel comunicativo, sus posibilidades como medio para lograr los objetivos marcados por el estudio anterior y su relevancia dentro de la sociedad civil española. Por último, se realiza un estudio de las posibilidades que una estrategia de comunicación institucional para la diplomacia pública interna puede ofrecer en la lucha contra las fake news y los discursos de odio. Así como un análisis sobre cómo este tipo de estrategias contribuyen a una mejora de la cohesión social y la convivencia de un país, justificándose su realización no solo desde el sector público, sino también desde las empresas –a través de su Responsabilidad Social Corporativa- y desde la propia sociedad civil, a través de sus movimientos organizativos.
Aristocracia y representación del Estado Moderno. Una historia social de la diplomacia a partir de los embajadores españoles en Francia en el reinado de Felipe IV (1621-1665)
(2024-06) Bueno Blanco, Álvaro; García Hernán, David; UC3M. Departamento de Humanidades: Historia, Geografía y Arte
Probabilistic domain decomposition algorithms for the numerical solution of large-scale elliptic boundary value problems
(2024-03) Morón Vidal, Jorge; Bernal Martínez, Francisco Manuel; UC3M. Departamento de Matemáticas; Bernal Martínez, Francisco Manuel
1.5. Organization and overview. This thesis is organized as follows. In chapter 2, I give a brief overview of the mathematical approaches and algorithms that have been used or considered during the formulation, analysis and implementation of the different approaches to PDDSparse. The chapter runs through the methods to tackle the probabilistic representation of BVPs numerically (sections 2.1). Then, it goes on to the idea of implementing substructuring techniques in PDDSparse (section 2.2) and gets deeper into the GMRES method and preconditioning techniques to solve the PDDSparse linear system (section 2.3). A brief overview of pseudospectral methods (section 2.4) is given before finally discussing some aspects of implementing the algorithms in supercomputing facilities (section 2.5). Then, the four articles of the compendium of publications are included: • In the first paper (chapter 3), a thorough formulation of PDDSparse is given for the case of a domain discretized into a mesh of square non-overlapping subdomains. The analysis of PDDSparse error motivates a three-stage algorithm to estimate such error and optimize the computational resources invested in its execution. This first approach to PDDSparse is illustrated with the results of numerical experiments conducted in Galileo100 which show the scalability and overall performance of the algorithm. • The second paper (chapter 4) revolves around the G matrix characterization. It contains a proof of the invertibility of G and a bound on its condition number that relates the algebraic properties of PDDSparse linear system with quantities derived from its stochastic formulation. The analysis carried out in this paper motivates the formulation of a preconditioner to improve the convergence of Krylov subspace methods. All this material is supported by a set of numerical experiments conducted in LUMI-C. • In the third paper (chapter 5), PDDSparse is used as the linear solver for two iterative schemes aimed at solving elliptic BVPs with positive reaction coefficients and semilinear BVPs, which are problems whose probabilistic representations can not be obtained via the Feynman-Kac formula. Those iterative algorithms are presented in this work alongside some proof of concept results attained in the supercomputer Marconi100. • In the last article of the compendium (chapter 6), PDDSparse is reformulated to solve a BVP by discretizing the domain with a mesh of overlapping circles instead of non-overlapping squares. This new approach avoids the Monte Carlo computations for many linear system coefficients. In this work, the parallel performance of the RAS preconditioner on solving the PDDSparse linear system with GMRES is also tested. Numerical results carried out in the supercomputer Fugaku are reported, supporting the validity of this approach to PDDSparse.
Multi-scale experimental characterisation and modelling of the thermo-electro-mechanical behaviour of 3D printed conductive thermoplastics
(2024-05) Crespo Miguel, Javier; Arias Hernández, Ángel; García González, Daniel; Martínez Tarifa, Juan Manuel; UC3M. Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras; Arias Hernández, Ángel
The conceptualisation of structural components in the current industry is experiencing an unprecedented change of paradigm. New materials are emerging to provide other functionalities while preserving certain structural functions. An exciting example is the field of conductive polymer composites (CPCs), that is providing applications where electrical current flows through mechanical components. The conductive properties of these materials derive from the interaction at the microscale of the conductive particles embedded in the polymeric matrix. The formation of paths by the conductive fillers allows the flow of a sufficiently high current, making these materials ideal candidates for conductive components. Nonetheless, the current flow is accompanied by an intrinsic heating due to the increase in kinetic energy derived from the electron movement, known as Joule heating. This thermo-electrical interplay introduces another important consideration, i.e., the thermo-mechanical response, specially with polymeric matrices that highly depend on temperature. Likewise, the mechanical response impacts the electrical properties via deformation-induced modulation of conductive paths. Hence, the mechanical, thermal and electrical responses are highly interlinked, requiring a multi-physical analysis for a correct implementation of CPCs in conductive components. Besides these complexities, additive manufacturing technologies have been employed to fabricate conductive components with intricate geometries. In this manner, the geometry limitations associated to traditional manufacturing techniques can be overcome. Yet, mesostructural defects originated during printing affect the material response at the functional level. In the case of pieces manufactured via Fused Filament Fabrication (FFF), the mesostructural porosity caused by the imperfect bonding between adjacent filaments leads to an orthotropic response at the macroscale. Given the nature of these materials, a comprehensive characterisation cannot be tackled only from a macroscopic or functional point of view. In this regard, the problem should be addressed following different approaches, attending to the different scales (i.e., micro, meso and macroscale) as well as to the different physical interplays (i.e., thermal, electrical and mechanical responses). This thesis aims to evaluate and determine the thermo-electro-mechanical interplays that appear in thermoplastic-based CPCs at the micro scale, analysing their modulation during FFF printing and the performance impact at the functional level. To reduce the lack of knowledge regarding the thermoelectro-mechanical behaviour of FFF CPCs, new numerical and experimental approaches have been developed. These methods account in both cases for the different scales and physics involved in the problem. From the experimental point of view, an extensive and comprehensive campaign has been performed isolating the interplays by pairs of physics at two scales. This multi-scale and multi-physical experimental campaign evidenced how the nature of the thermoplastic matrix, from both mechanical and thermal perspectives, alters the conductive response. This behaviour is also affected by the addition of conductive filler to the matrix, that modifies the thermal and mechanical behaviour of the composite, even in the absence of electrical current. From a numerical perspective, Finite Element Method (FEM) based frameworks have been conceptualised at the three scales of the problem. The microscopic framework was based on homogenisation approaches, accounting for the relations between conductive particles, olymeric matrix and microvoids present in 3D printing conductive filaments. At the mesoscale, the geometrical and material features derived from the printing process are studied. Finally, upscaling to a functional level, an orthotropic thermo-electro-mechanical model has been conceptualised accounting for the variation in properties due to printing orientation. Gathering all this development and comprehension involving the thermo-electro-mechanical response of 3D printing conductive thermoplastics, this thesis can contribute to both academic and industrial fields. The experimental methodologies presented allow for manufacturers to evaluate their products in a multi-functional fashion. Likewise, the proposed numerical frameworks can help to optimise the product design at different stages. First, the design of conductive filaments modifying the phase constituent ratios or properties is possible, controlling is such a manner the feedstock material. Then, the macroscopic response of a print can be obtained in terms of the desired printing parameters that affect on the mesostructure. Finally, the component geometry can be optimised accounting for the macroscopic boundary conditions of specific problems.
Preparación por hilado por soplado y caracterización de materiales nanocompuestos de matríz bi-componente con potenciales aplicaciones médicas
(2024-03) Lorente Fernández, Miguel Ángel; González Benito, Francisco Javier; UC3M. Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química; González Benito, Francisco Javier
A lo largo de este trabajo se aborda la importancia de los biomateriales en la medicina moderna, destacando la necesidad de evolucionar en el desarrollo de nuevos materiales para aplicaciones biomédicas, principalmente, con el objetivo de lograr biomateriales inteligentes como los BioMEMs. En ese sentido, los nuevos materiales no solo tienen que presentar una buena biocompatibilidad, sino que, además, deben permitir el control y monitorización de la actividad celular en respuesta a estímulos específicos, como temperatura, pH, luz, etc. Estos avances están estrechamente vinculados a la evolución de la nanotecnología, que permite la creación de nuevos materiales y/o sistemas con funciones cada vez más complejas. En particular, esta tesis doctoral está enfocada al desarrollo de nuevos biomateriales constituidos por fibras poliméricas sub-micrométricas, enfocados a aplicaciones en biomedicina como sistemas de transporte y liberación controlada de fármacos o agentes activos. Inicialmente se va a realizar una evolución histórica de los biomateriales desde la antigüedad en la que se mencionan los tipos de materiales empleados en cada etapa, entre los que se encuentran materiales naturales, como colágeno, elastina y quitina, y materiales sintéticos, como polímeros, cerámicas y aleaciones metálicas. En la actualidad, gracias a los avances en nanotecnología, se están explorando biomateriales compuestos por nanopartículas multifuncionales y nanoestructuras, para su aplicación en diversas áreas, como: la ingeniería de tejidos, para el desarrollo de scaffolds, que son estructuras 3D que imitan el tejido biológico y que favorecen la regeneración de áreas dañadas; y la farmacología, para la fabricación de nuevos sistemas de transporte y liberación de fármacos u otros agentes activos. Seguidamente, se van a mencionar distintos métodos de producción de fibras poliméricas detallando el propio proceso de producción de cada método y comentado las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. Además, se comparan las características de los materiales desarrollados mediante cada técnica de procesamiento, que a su vez van a determinar las posibles aplicaciones de los materiales finales. A pesar de las distintas posibilidades existentes, en esta tesis se ha centrado la atención en la técnica de hilado por soplado o solution blow spinning (SBS), debido a su simplicidad en cuanto a condiciones de procesamiento, al igual que porque permite la fabricación de fibras con un tamaño sub-micrométrico. Adicionalmente, se van a exponer las características y propiedades generales de los polímeros seleccionados para producir las materiales: el poli(óxido) de etileno (PEO) y la poli-ɛ-caprolactona (PCL). Entre las características destacables, mencionar que, además de ser biocompatibles, ambos polímeros son biodegradables, es decir, pueden ser eliminados de forma natural del cuerpo sin necesidad de tener que ser retirados o extirpados. El hecho de que los polímeros seleccionados presenten estas características hace posible su aplicación en el campo de la biomedicina, particularmente, como estructuras para la regeneración de tejidos (scaffolds) y para el desarrollo de sistemas de transporte y liberación controlada de fármacos y/o agentes activos. Una vez seleccionados tanto los polímeros como la propia técnica de procesado, se van a llevar a cabo diferentes estudios. En un primer estudio, se van a determinar los valores óptimos de los distintos parámetros de procesamiento de la técnica de SBS para poder fabricar materiales fibrilares compuestos por PEO. Una vez fabricados, los materiales obtenidos se van a caracterizar en detalle, estructural y morfológicamente, al igual que se van a analizar sus propiedades térmicas y mecánicas. Finalmente, también va a estudiar el comportamiento de estos materiales en relación a su posible aplicación en sistemas de liberación de fármacos; se analizará el proceso de disolución de los materiales fabricados en presencia de agua, proceso que puede asociarse a la degradación del material. En un segundo estudio, se va a realizar una comparativa entre distintos conjuntos de materiales fabricados mediante SBS formados por PEO, PCL y una mezcla de ambos polímeros. Además, dentro de cada conjunto de materiales se fabricarán muestras aplicando diferentes velocidades de rotación del colector con el fin de forzar la orientación de las fibras dentro de los materiales. El objetivo de este estudio está enfocado en analizar las posibles variaciones, principalmente morfológicas, que puedan aparecer entre los distintos materiales. Estas diferencias en la morfología van a condicionar las propiedades mecánicas de los materiales, al igual que van a influir en el proceso de disolución de los mismos. Finalmente, se va a llevar a cabo la fabricación por medio de SBS de materiales fibrilares constituidos por fibras coaxiales, con un núcleo de PCL y una corteza de PEO. Para lograr producir este tipo de fibras, es necesario cambiar la configuración del equipo de SBS, particularmente, la boquilla empleada; además de optimizar nuevamente los valores de los parámetros asociados al procesado. Una vez ajustados los parámetros, se producirán distintos materiales que se recogerán a diferentes velocidades de rotación del colector, con el fin de conseguir una orientación preferencial de las fibras constituyentes. Los materiales resultantes se van a caracterizar, tanto estructural como morfológicamente, para estudiar posibles cambios en la estructura de los polímeros, al igual que posibles variaciones en la morfología. Además, se van a estudiar las propiedades térmicas y mecánicas de los materiales, con el fin de analizar si existe algún tipo de influencia o dependencia de la estructura y/o morfología.

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