en paneles de metamateriales

Los metamateriales son materiales artificiales cuyas propiedades provienen directamente de la posición y geometría que ocupan sus componentes dentro de su estructura. Con metamateriales en paneles para control de vibraciones, se pueden lograr bandas de frecuencias, llamadas band-gaps, en que las vibraciones son suprimidas por el panel. Esto es de gran interés en casos donde se quiere evitar la vibración de paneles debido a una excitación externa. La evaluación de los band-gaps elementos finitos es muy costosa computacionalmente, esto hace que no sea factible implementar algoritmos de optimización tradicionales para maximizar el band gap a una cierta frecuencia. Una opción viable es el uso de redes neuronales artificiales, las cuales corresponden a un algoritmo de aprendizaje automático de rápida evaluación.

El objetivo de este trabajo es entrenar modelos de redes neuronales para predecir band-gaps en paneles de metamateriales. En una primera etapa, se generaron las bases de datos para el entrenamiento de estos algoritmos, las que relacionan los parámetros de diseño de los modelos numéricos de cada panel con sus diagramas de banda. Dichos diagramas de banda se construyen con las frecuencias naturales de la estructura con condiciones de borde periódicas y para distintos vectores de onda. Por otra parte, la segunda etapa contempló la implementación de los modelos de redes neuronales, su entrenamiento y evaluación, para escoger el mejor modelo que resuelva el problema planteado. Los datos de entrada de estos modelos corresponden a los parámetros de diseño de la celda (12 a 15 parámetros), y los datos de salida son las componentes principales de cada banda del diagrama de bandas (8 parámetros).

Como resultado, se determinó que estos modelos logran predecir exitosamente el ancho y frecuencia central de los band-gaps. En particular, se aprecia que los modelos predicen más fácilmente estas propiedades en paneles que poseen resonadores internos en sus núcleos.

3: Comparación entre la frecuencia media real y la predicha (a) y entre el ancho de banda real y el predicho (b) para la estructura de la Figura 2.

Pregrado

Autor: Víctor Villarroel Carrasco Profesor Guía: Ali Akbari Fakhrabadi (DIMEC U. Chile)

Medición de deformación de materiales a altas temperaturas mediante correlación digital de imágenes

El almacenamiento energético permite el desacoplamiento temporal de la generación y el consumo de energía. En consecuencia, se ha proyectado como un componente clave de la futura red eléctrica ya que permitirá aumentar su eficiencia y promoverá el uso a gran escala de sistemas de energía con recursos intermitentes como el eólico y el solar. Entre las diversas opciones de almacenamiento de electricidad, una de las más prometedoras consiste en la conversión de energía desde su forma eléctrica a la química a través de procesos de electrólisis de vapor y CO2 mediante celdas de óxido sólido reversible; estos dispositivos operan a altas temperaturas (600-1000 °C) y están caracterizados por el electrodo cerámico que las compone.

Teniendo en consideración la naturaleza térmica de este proceso de conversión de energía es que es necesario el uso de materiales y configuraciones óptimas, ya que puede ocurrir una degradación drástica y por ende una disminución en el rendimiento de las celdas debido a la inestabilidad de los materiales que la componen. Considerando lo anterior, esta investigación desarrolló una metodología que permite medir la deformación y caracterizar las propiedades mecánicas de materiales cerámicos sometidos a esfuerzos de compresión utilizados como electrodos en celdas de combustible de óxido sólido, específicamente las perovskitas LSCF y BaFeO3, a sus respectivas temperaturas de operación y por medio de análisis por correlación digital de imágenes. El estudio desarrolló y estableció una configuración óptima que logró medir el coeficiente de expansión térmica, obtener la curva de esfuerzo-deformación y por ende caracterizar las propiedades mecánicas de estos materiales. + info

Postgrado

Autor: Ignacio Calderón Vásquez

Postgrado

Profesor

guía: José Miguel Cardemil Iglesias (Ingeniería UC)

Analytic and parametric study of high-temperature packedbed TES systems using copper slags as filler material

Las plantas de concentración solar de potencia (CSP) se destacan actualmente como una alternativa para la descarbonización de la matriz energética, pues pueden suministrar energía a la red cuando la radiación solar no está disponible. Esto lo logran mediante sistemas de almacenamiento térmico (TES), compuestos por estanques que contienen sal fundida. La sal posee una alta densidad energética, pero son corrosivas y tienen un rango de temperatura de operación limitado, lo que requiere un sistema de control complejo y costoso. Así, en la nueva generación de plantas CSP se busca aumentar la temperatura de funcionamiento del TES y reducir los costos de operación. En este contexto, los sistemas TES de lechos empacados son prometedores pues emplean rocas naturales o subproductos industriales sólidos como medio de almacenamiento de energía, la que intercambian con un fluido en movimiento. Esta configuración permite reducir costos de implementación y alcanzar temperaturas superiores a las de los sistemas actuales.

Este trabajo evalúa el desempeño a altas temperaturas de un sistema TES de lecho empacado de escoria de cobre chilena como material de relleno. Con un modelo de transferencia de calor se estudia la interacción sólido-fluido, para determinar qué variables de diseño del TES son relevantes para favorecer el almacenamiento de energía. Al contrastar el desempeño de la escoria de cobre con otros materiales reportados en la literatura, se determina que el alto calor específico de la escoria de cobre hace más lento el avance de la termoclina en el lecho empacado, permitiendo descargar energía a altas temperaturas por más tiempo. Además, estudiando distintas geometrías de contenedor de piedras y direcciones de flujo, se obtuvo que los estanques de cilindros concéntricos con flujo radial reducen las pérdidas térmicas en estos sistemas, y tienen bajos niveles de pérdida de carga. + info

Autor: Diego Hidalgo Silva Profesor Guía: Rafael Ruiz García (Departamento de Ingeniería Civil, U.Chile)

Reliability-based selection of manufacturing tolerance of journal bearings by means of adaptive kriging metamodel

Las incertidumbres están presentes en cualquier sistema de ingeniería, desde el modelado y el diseño hasta la fabricación y su rendimiento. El rendimiento de un sistema basado en parámetros de diseño nominales puede diferir significativamente del producto final. Estas discrepancias están relacionadas con las incertidumbres asociadas al proceso de fabricación y las propiedades del material, las cuales tradicionalmente han sido mitigadas con estrictas especificaciones de tolerancia y parámetros de control del proceso, respectivamente.

El objetivo de este trabajo es identificar la relación entre la tolerancia de fabricación de un componente y las variaciones esperadas en su rendimiento mecánico, para ello se propone un marco en el que la tolerancia de fabricación se describe mediante funciones de densidad de probabilidad, mientras que su efecto sobre el rendimiento se aborda mediante simulaciones estocásticas. El procedimiento subyace a la adopción de un modelo sustituto bajo entrenamiento local y global (basado en la interpolación adaptativa de Kriging) para predecir la probabilidad de exceder un cierto rendimiento. El marco propuesto está ilustrado y validado estudiando un cojinete hidrodinámico en términos de valores mínimos y máximos creíbles para sus coeficientes dinámicos. Los resultados muestran un ahorro significativo en términos de tiempo computacional, lo que hace que este marco sea atractivo para realizar la selección de tolerancias de fabricación.

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