Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Smart design of scaffolds obtained by biofabrication for tissue engineering applications

A engenharia de tecidos é um domínio tecnológico emergente em rápido desenvolvimento que se destina a produzir substitutos viáveis para a restauração, manutenção ou melhoria da função dos tecidos ou órgãos humanos. Uma das estratégias mais predominantes em engenharia de tecidos envolve crescimento celular sobre matrizes de suporte (scaffolds), biocompatíveis e biodegradáveis. Estas matrizes devem possuir não só elevadas propriedades mecânicas e vasculares, mas também uma elevada porosidade. Devido à incompatibilidade destes dois parâmetros, é necessário desenvolver estratégias de simulação de forma a obter estruturas optimizadas. A previsão real das propriedades mecânicas, vasculares e topológicas das matrizes de suporte, produzidas por técnicas de biofabricação, é muito importante para as diversas aplicações em engenharia de tecidos. A presente dissertação apresenta o estado da arte da engenharia de tecidos, bem como as técnicas de biofabricação envolvidas na produção de matrizes de suporte. Para o design optimizado de matrizes de suporte foi adoptada uma metodologia de design baseada tanto em métodos de elementos finitos para o cálculo do comportamento mecânico, vascular e as optimizações topológicas, como em métodos analíticos para a validação das simulações estruturais utilizando dados experimentais. Considerando que as matrizes de suporte são estruturas elementares do tipo LEGO, dois tipos de famílias foram consideradas, superfícies não periódicas e as superfícies triplas periódicas que descrevem superfícies naturais. Os objectivos principais desta dissertação são: i) avaliar as técnicas existentes de engenharia de tecidos; ii) avaliar as técnicas existentes de biofabricação para a produção de matrizes de suporte; iii) avaliar o desempenho e comportamento das matrizes de suporte; iv) implementar uma metodologia de design de matrizes de suporte em variáveis tais como a porosidade, geometria e comportamento mecânico e vascular por forma a auxiliar o processo de design; e por fim, v) validar experimentalmente a metodologia adoptada.

Road traffic information platform for energy and emissions savings

Apesar das recentes inovações tecnológicas, o setor dos transportes continua a exercer impactes significativos sobre a economia e o ambiente. Com efeito, o sucesso na redução das emissões neste setor tem sido inferior ao desejável. Isto deve-se a diferentes fatores como a dispersão urbana e a existência de diversos obstáculos à penetração no mercado de tecnologias mais limpas. Consequentemente, a estratégia “Europa 2020” evidencia a necessidade de melhorar a eficiência no uso das atuais infraestruturas rodoviárias. Neste contexto, surge como principal objetivo deste trabalho, a melhoria da compreensão de como uma escolha de rota adequada pode contribuir para a redução de emissões sob diferentes circunstâncias espaciais e temporais. Simultaneamente, pretende-se avaliar diferentes estratégias de gestão de tráfego, nomeadamente o seu potencial ao nível do desempenho e da eficiência energética e ambiental. A integração de métodos empíricos e analíticos para avaliação do impacto de diferentes estratégias de otimização de tráfego nas emissões de CO2 e de poluentes locais constitui uma das principais contribuições deste trabalho. Esta tese divide-se em duas componentes principais. A primeira, predominantemente empírica, baseou-se na utilização de veículos equipados com um dispositivo GPS data logger para recolha de dados de dinâmica de circulação necessários ao cálculo de emissões. Foram percorridos aproximadamente 13200 km em várias rotas com escalas e características distintas: área urbana (Aveiro), área metropolitana (Hampton Roads, VA) e um corredor interurbano (Porto-Aveiro). A segunda parte, predominantemente analítica, baseou-se na aplicação de uma plataforma integrada de simulação de tráfego e emissões. Com base nesta plataforma, foram desenvolvidas funções de desempenho associadas a vários segmentos das redes estudadas, que por sua vez foram aplicadas em modelos de alocação de tráfego. Os resultados de ambas as perspetivas demonstraram que o consumo de combustível e emissões podem ser significativamente minimizados através de escolhas apropriadas de rota e sistemas avançados de gestão de tráfego. Empiricamente demonstrou-se que a seleção de uma rota adequada pode contribuir para uma redução significativa de emissões. Foram identificadas reduções potenciais de emissões de CO2 até 25% e de poluentes locais até 60%. Através da aplicação de modelos de tráfego demonstrou-se que é possível reduzir significativamente os custos ambientais relacionados com o tráfego (até 30%), através da alteração da distribuição dos fluxos ao longo de um corredor com quatro rotas alternativas. Contudo, apesar dos resultados positivos relativamente ao potencial para a redução de emissões com base em seleções de rotas adequadas, foram identificadas algumas situações de compromisso e/ou condicionantes que devem ser consideradas em futuros sistemas de eco navegação. Entre essas condicionantes importa salientar que: i) a minimização de diferentes poluentes pode implicar diferentes estratégias de navegação, ii) a minimização da emissão de poluentes, frequentemente envolve a escolha de rotas urbanas (em áreas densamente povoadas), iii) para níveis mais elevados de penetração de dispositivos de eco-navegação, os impactos ambientais em todo o sistema podem ser maiores do que se os condutores fossem orientados por dispositivos tradicionais focados na minimização do tempo de viagem. Com este trabalho demonstrou-se que as estratégias de gestão de tráfego com o intuito da minimização das emissões de CO2 são compatíveis com a minimização do tempo de viagem. Por outro lado, a minimização de poluentes locais pode levar a um aumento considerável do tempo de viagem. No entanto, dada a tendência de redução nos fatores de emissão dos poluentes locais, é expectável que estes objetivos contraditórios tendam a ser minimizados a médio prazo. Afigura-se um elevado potencial de aplicação da metodologia desenvolvida, seja através da utilização de dispositivos móveis, sistemas de comunicação entre infraestruturas e veículos e outros sistemas avançados de gestão de tráfego.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Oil hydrocarbon-bacteria interactions in coastal environments

The ability of microorganisms to use oil hydrocarbons as a source of carbon and energy is crucial for environmental oil detoxification. However, there is still a lack of knowledge on fundamental aspects of this process on specific habitats and under different climate scenarios. In the first phase of this work, the culturable fraction of the oil hydrocarbon (OH) degrading bacteria from the sea surface microlayer (SML) of the estuarine system Ria de Aveiro was characterized. In the second phase, the impact of oil contamination on the active bacterial community was studied under climate change scenarios. Pseudomonas emerged as the prevailing genera among OH degrading bacteria in the SML. Moreover, culture-independent methods revealed that the relative abundance and diversity of Gammaproteobacteria, in which Pseudomonas is included, varies along an estuarine gradient of contamination. In order to access the impact of oil contamination on microbial communities under climate change scenarios, an experimental life support system for microcosm experiments (ELLS) was developed and validated for simulation of climate change effects on microbial communities. With the ELSS it is possible to simulate, in controlled conditions, fundamental parameters of the dynamics of coastal and estuarine systems while maintaining community structure in terms of the abundance of the most relevant members of the indigenous bacterial community. A microcosm experiment in which the independent and combined impact of ultraviolet radiation, ocean acidification and oil contamination on microbial communities was conducted. The impact on bacterial communities was accessed with a 16S RNA (cDNA) based barcode pyrosequencing approach. There was a drastic decrease of Desulfobacterales relative abundance after oil contamination under the reduced pH value estimated for 2100, when compared to present values. Since members of this order are known OH degraders, such a significant decrease may have consequences on OH detoxification of contaminated environments under the pH levels of the ocean expected for the future. Metagenome predictions based on the 16S RNA database indicated that several degradation pathways of OH could be affected under oil contamination and reduced water pH. Taken together, the results from this work bring new information on the dynamics of OH degrading bacteria in coastal and estuarine environments under present and future climate scenarios.

Modelos autoregressivos por limiares em séries de contagem

A modelação e análise de séries temporais de valores inteiros têm sido alvo de grande investigação e desenvolvimento nos últimos anos, com aplicações várias em diversas áreas da ciência. Nesta tese a atenção centrar-se-á no estudo na classe de modelos basedos no operador thinning binomial. Tendo como base o operador thinning binomial, esta tese focou-se na construção e estudo de modelos SETINAR(2; p(1); p(2)) e PSETINAR(2; 1; 1)T , modelos autorregressivos de valores inteiros com limiares autoinduzidos e dois regimes, admitindo que as inovações formam uma sucessão de variáveis independentes com distribuição de Poisson. Relativamente ao primeiro modelo analisado, o modelo SETINAR(2; p(1); p(2)), além do estudo das suas propriedades probabilísticas e de métodos, clássicos e bayesianos, para estimar os parâmetros, analisou-se a questão da seleção das ordens, no caso de elas serem desconhecidas. Com este objetivo consideraram-se algoritmos de Monte Carlo via cadeias de Markov, em particular o algoritmo Reversible Jump, abordando-se também o problema da seleção de modelos, usando metodologias clássica e bayesiana. Complementou-se a análise através de um estudo de simulação e uma aplicação a dois conjuntos de dados reais. O modelo PSETINAR(2; 1; 1)T proposto, é também um modelo autorregressivo com limiares autoinduzidos e dois regimes, de ordem unitária em cada um deles, mas apresentando uma estrutura periódica. Estudaram-se as suas propriedades probabilísticas, analisaram-se os problemas de inferência e predição de futuras observações e realizaram-se estudos de simulação.

NMR in the characterization of heavy residual procedural streams

The main objective of this work was to monitor a set of physical-chemical properties of heavy oil procedural streams through nuclear magnetic resonance spectroscopy, in order to propose an analysis procedure and online data processing for process control. Different statistical methods which allow to relate the results obtained by nuclear magnetic resonance spectroscopy with the results obtained by the conventional standard methods during the characterization of the different streams, have been implemented in order to develop models for predicting these same properties. The real-time knowledge of these physical-chemical properties of petroleum fractions is very important for enhancing refinery operations, ensuring technically, economically and environmentally proper refinery operations. The first part of this work involved the determination of many physical-chemical properties, at Matosinhos refinery, by following some standard methods important to evaluate and characterize light vacuum gas oil, heavy vacuum gas oil and fuel oil fractions. Kinematic viscosity, density, sulfur content, flash point, carbon residue, P-value and atmospheric and vacuum distillations were the properties analysed. Besides the analysis by using the standard methods, the same samples were analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy. The second part of this work was related to the application of multivariate statistical methods, which correlate the physical-chemical properties with the quantitative information acquired by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Several methods were applied, including principal component analysis, principal component regression, partial least squares and artificial neural networks. Principal component analysis was used to reduce the number of predictive variables and to transform them into new variables, the principal components. These principal components were used as inputs of the principal component regression and artificial neural networks models. For the partial least squares model, the original data was used as input. Taking into account the performance of the develop models, by analysing selected statistical performance indexes, it was possible to conclude that principal component regression lead to worse performances. When applying the partial least squares and artificial neural networks models better results were achieved. However, it was with the artificial neural networks model that better predictions were obtained for almost of the properties analysed. With reference to the results obtained, it was possible to conclude that nuclear magnetic resonance spectroscopy combined with multivariate statistical methods can be used to predict physical-chemical properties of petroleum fractions. It has been shown that this technique can be considered a potential alternative to the conventional standard methods having obtained very promising results.

Microbe-mediated recovery of salt marshes contaminated with oil hydrocarbons

Salt marshes are highly productive intertidal habitats that serve as nursery grounds for many commercially and economically important species. Because of their location and physical and biological characteristics, salt marshes are considered to be particularly vulnerable to anthropogenic inputs of oil hydrocarbons. Sediment contamination with oil is especially dangerous for salt marsh vegetation, since low molecular weight aromatic hydrocarbons can affect plants at all stages of development. However, the use of vegetation for bioremediation (phytoremediation), by removal or sequestration of contaminants, has been intensively studied. Phytoremediation is an efficient, inexpensive and environmental friendly approach for the removal of aromatic hydrocarbons, through direct incorporation by the plant and by the intervention of degrading microbial populations in the rhizosphere (microbe-assisted phytoremediation). Rhizosphere microbial communities are enriched in important catabolic genotypes for degradation of oil hydrocarbons (OH) which may have a potential for detoxification of the sediment surrounding the roots. In addition, since rhizosphere bacterial populations may also internalize into plant tissues (endophytes), rhizocompetent AH degrading populations may be important for in planta AH degradation and detoxification. The present study involved field work and microcosms experiments aiming the characterization of relevant plant-microbe interactions in oilimpacted salt marshes and the understanding of the effect of rhizosphere and endosphere bacteria in the role of salt marsh plants as potential phytoremediation agents. In the field approach, molecular tools were used to assess how plant species- and OH pollution affect sediment bacterial composition [bulk sediment and sediment surrounding the roots (rhizosphere) of Halimione portulacoides and Sarcocornia perennis subsp. perennis] in a temperate estuary (Ria de Aveiro, Portugal) chronically exposed to OH pollution. In addition, the 16S rRNA gene sequences retrieved in this study were used to generate in silico metagenomes and to evaluate the distribution of potential bacterial traits in different microhabitats. Moreover, a combination of culture-dependent and -independent approaches was used to investigate the effect of oil hydrocarbons contamination on the structure and function of endophytic bacterial communities of salt marsh plants.Root systems of H. portulacoides and S. perennis subsp. perennis appear to be able to exert a strong influence on bacterial composition and in silico metagenome analysis showed enrichment of genes involved in the process of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) degradation in the rhizosphere of halophyte plants. The culturable fraction of endophytic degraders was essentially closely related to known OH-degrading Pseudomonas species and endophytic communities revealed sitespecific effects related to the level of OH contamination in the sediment. In order to determine the effects of oil contamination on plant condition and on the responses in terms of structure and function of the bacterial community associated with plant roots (rhizosphere, endosphere), a microcosms approach was set up. The salt marsh plant Halimione portulacoides was inoculated with a previous isolated Pseudomonas sp. endophytic degrader and the 2-methylnaphthalene was used as model PAH contaminant. The results showed that H. portulacoides health and growth were not affected by the contamination with the tested concentration. Moreover, the decrease of 2-methylnaphthalene at the end of experiment, can suggest that H. portulacoides can be considered as a potential plant for future uses in phytoremedition approaches of contaminated salt marsh. The acceleration of hydrocarbon degradation by inoculation of the plants with the hydrocarbon-degrading Pseudomonas sp. could not, however, be demonstrated, although the effects of inoculation on the structure of the endophytic community observed at the end of the experiment indicate that the strain may be an efficient colonizer of H. portulacoides roots. The results obtained in this work suggest that H. portulacoides tolerates moderate concentrations of 2-methylnaphthalene and can be regarded as a promising agent for phytoremedition approaches in salt marshes contaminated with oil hydrocarbons. Plant/microbe interactions may have an important role in the degradation process, as plants support a diverse endophytic bacterial community, enriched in genetic factors (genes and plasmids) for hydrocarbon degradation.

Treatment of aqueous effluents contaminated with ionic liquids

Ionic liquids are a class of solvents that, due to their unique properties, have been proposed in the past few years as alternatives to some hazardous volatile organic compounds. They are already used by industry, where it was possible to improve different processes by the incorporation of this kind of non-volatile and often liquid solvents. However, even if ionic liquids cannot contribute to air pollution, due to their negligible vapour pressures, they can be dispersed thorough aquatic streams thus contaminating the environment. Therefore, the main goals of this work are to study the mutual solubilities between water and different ionic liquids in order to infer on their environmental impact, and to propose effective methods to remove and, whenever possible, recover ionic liquids from aqueous media. The liquid-liquid phase behaviour of different ionic liquids and water was evaluated in the temperature range between (288.15 and 318.15) K. For higher melting temperature ionic liquids a narrower temperature range was studied. The gathered data allowed a deep understanding on the structural effects of the ionic liquid, namely the cation core, isomerism, symmetry, cation alkyl chain length and the anion nature through their mutual solubilities (saturation values) with water. The experimental data were also supported by the COnductor-like Screening MOdel for Real Solvents (COSMO-RS), and for some more specific systems, molecular dynamics simulations were also employed for a better comprehension of these systems at a molecular level. On the other hand, in order to remove and recover ionic liquids from aqueous solutions, two different methods were studied: one based on aqueous biphasic systems, that allowed an almost complete recovery of hydrophilic ionic liquids (those completely miscible with water at temperatures close to room temperature) by the addition of strong salting-out agents (Al2(SO4)3 or AlK(SO4)2); and the other based on the adsorption of several ionic liquids onto commercial activated carbon. The first approach, in addition to allowing the removal of ionic liquids from aqueous solutions, also makes possible to recover the ionic liquid and to recycle the remaining solution. In the adsorption process, only the removal of the ionic liquid from aqueous solutions was attempted. Nevertheless, a broad understanding of the structural effects of the ionic liquid on the adsorption process was attained, and a final improvement on the adsorption of hydrophilic ionic liquids by the addition of an inorganic salt (Na2SO4) was also achieved. Yet, the development of a recovery process that allows the reuse of the ionic liquid is still required for the development of sustainable processes.

4-Quinolonas: novos métodos de síntese e transformação em acridonas

A presente dissertação é constituída por quatro capítulos, organizados em introdução geral, discussão do trabalho desenvolvido na síntese de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados e parte experimental. No primeiro capítulo desta dissertação é apresentada uma breve revisão bibliográfica de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, abrangendo a respectiva nomenclatura, ocorrência natural e métodos de síntese. O segundo capítulo engloba estudos da reactividade de (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas como dienófilos com o-benzoquinodimetanos, gerados in situ a partir da extrusão quelotrópica do dióxido de enxofre de 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. Estes estudos conduziram à obtenção de novas 2-(3-aril-1,2,3,4-tetra-hidronaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas e análogos não substituídos no átomo de azoto N1 da quinolin-4(1H)-ona. Em seguida foram estudadas as reações de desidrogenação e fotociclização dos compostos obtidos anteriormente, com vista à obtenção de novas 2-(3-arilnaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas, análogos não substituídos em N1 e de novas acridonas. No segundo capítulo também é abordada a síntese dos compostos precursores, as (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas, as (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. No terceiro capitulo é discutida a caracterização estrutural das novas quinolin-4(1H)-onas e acridona sintetizadas, com estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear 1D (1H e 13C) e 2D (homo- e heteronuclear). O quarto capítulo inclui toda a parte experimental, contendo os procedimentos optimizados para a síntese e purificação destes compostos, e a caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados.