Numerical prediction of delamination onset in carbon/epoxy composites drilling

Despite the fact that their physical properties make them an attractive family of materials, composites machining can cause several damage modes such as delamination, fibre pull-out, thermal degradation, and others. Minimization of axial thrust force during drilling reduces the probability of delamination onset, as it has been demonstrated by analytical models based on linear elastic fracture mechanics (LEFM). A finite element model considering solid elements of the ABAQUS® software library and interface elements including a cohesive damage model was developed in order to simulate thrust forces and delamination onset during drilling. Thrust force results for delamination onset are compared with existing analytical models.

Strength prediction of adhesively-bonded scarf repairs in composite structures under bending

This work reports on the experimental and numerical study of the bending behaviour of two-dimensional adhesively-bonded scarf repairs of carbon-epoxy laminates, bonded with the ductile adhesive Araldite 2015®. Scarf angles varying from 2 to 45º were tested. The experimental work performed was used to validate a numerical Finite Element analysis using ABAQUS® and a methodology developed by the authors to predict the strength of bonded assemblies. This methodology consists on replacing the adhesive layer by cohesive elements, including mixed-mode criteria to deal with the mixed-mode behaviour usually observed in structures. Trapezoidal laws in pure modes I and II were used to account for the ductility of the adhesive used. The cohesive laws in pure modes I and II were determined with Double Cantilever Beam and End-Notched Flexure tests, respectively, using an inverse method. Since in the experiments interlaminar and transverse intralaminar failures of the carbon-epoxy components also occurred in some regions, cohesive laws to simulate these failure modes were also obtained experimentally with a similar procedure. A good correlation with the experiments was found on the elastic stiffness, maximum load and failure mode of the repairs, showing that this methodology simulates accurately the mechanical behaviour of bonded assemblies.

Damage assessment of drilled hybrid composite laminates

Hole drilling operations are common in fibre reinforced plastics - FRP’s - to facilitate fastener assembly to other parts in more complex structures. As these materials are non-homogeneous, drilling causes some damages, like delamination, for example. Delamination can be reduced by a careful selection of drilling parameters, drill material and drill bit geometry. In this work two types of laminates are drilled using different machining parameters and comparing drill geometries. Results show the importance of a cautious selection of these variables when composites’ drilling is involved.

Modified particle swarm optimization for day-ahead distributed energy resources scheduling including vehicle-to-grid

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Single-lap joints of similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive

In this study, the tensile strength of single-lap joints (SLJs) between similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive was evaluated experimentally and numerically. The adherend materials included polyethylene (PE), polypropylene (PP), carbon-epoxy (CFRP), and glass-polyester (GFRP) composites. The following adherend combinations were tested: PE/PE, PE/PP, PE/CFRP, PE/GFRP, PP/PP, CFRP/CFRP, and GFRP/GFRP. One of the objectives of this work was to assess the influence of the adherends stiffness on the strength of the joints since it significantly affects the peel stresses magnitude in the adhesive layer. The experimental results were also used to validate a new mixed-mode cohesive damage model developed to simulate the adhesive layer. Thus, the experimental results were compared with numerical simulations performed in ABAQUS®, including a developed mixed-mode (I+II) cohesive damage model, based on the indirect use of fracture mechanics and implemented within interface finite elements. The cohesive laws present a trapezoidal shape with an increasing stress plateau, to reproduce the behaviour of the ductile adhesive used. A good agreement was found between the experimental and numerical results.

Drilling damage in composite material

The characteristics of carbon fibre reinforced laminates have widened their use from aerospace to domestic appliances, and new possibilities for their usage emerge almost daily. In many of the possible applications, the laminates need to be drilled for assembly purposes. It is known that a drilling process that reduces the drill thrust force can decrease the risk of delamination. In this work, damage assessment methods based on data extracted from radiographic images are compared and correlated with mechanical test results—bearing test and delamination onset test—and analytical models. The results demonstrate the importance of an adequate selection of drilling tools and machining parameters to extend the life cycle of these laminates as a consequence of enhanced reliability.

Day-ahead Resource Scheduling Including Demand Response for Electric Vehicles

The energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and massive gridable vehicle (V2G) use is envisaged. This paper presents a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and V2G. The main focus is the comparison of different EV management approaches in the day-ahead energy resources management, namely uncontrolled charging, smart charging, V2G and Demand Response (DR) programs i n the V2G approach. Three different DR programs are designed and tested (trip reduce, shifting reduce and reduce+shifting). Othe r important contribution of the paper is the comparison between deterministic and computational intelligence techniques to reduce the execution time. The proposed scheduling is solved with a modified particle swarm optimization. Mixed integer non-linear programming is also used for comparison purposes. Full ac power flow calculation is included to allow taking into account the network constraints. A case study with a 33-bus distribution network and 2000 V2G resources is used to illustrate the performance of the proposed method.

Acetyl-L-Carnitine Prevents Methamphetamine-Induced Structural Damage on Endothelial Cells via ILK-Related MMP-9 Activity

Methamphetamine (METH) is a potent psychostimulant highly used worldwide. Recent studies evidenced the involvement of METH in the breakdown of the blood-brain-barrier (BBB) integrity leading to compromised function. The involvement of the matrix metalloproteinases (MMPs) in the degradation of the neurovascular matrix components and tight junctions (TJs) is one of the most recent findings in METH-induced toxicity. As BBB dysfunction is a pathological feature of many neurological conditions, unveiling new protective agents in this field is of major relevance. AcetylL-carnitine (ALC) has been described to protect the BBB function in different paradigms, but the mechanisms underling its action remain mostly unknown. Here, the immortalized bEnd.3 cell line was used to evaluate the neuroprotective features of ALC in METH-induced damage. Cells were exposed to ranging concentrations of METH, and the protective effect of ALC 1 mM was assessed 24 h after treatment. F-actin rearrangement, TJ expression and distribution, and MMPs activity were evaluated. Integrin-linked kinase (ILK) knockdown cells were used to assess role of ALC in ILK mediated METHtriggered MMPs’ activity. Our results show that METH led to disruption of the actin filaments concomitant with claudin-5 translocation to the cytoplasm. These events were mediated by MMP-9 activation in association with ILK overexpression. Pretreatment with ALC prevented METH-induced activation of MMP-9, preserving claudin-5 location and the structural arrangement of the actin filaments. The present results support the potential of ALC in preserving BBB integrity, highlighting ILK as a new target for the ALC therapeutic use.

Análise de Integridade Estrutural de uma Flare Industrial

Para garantir que um equipamento opere com segurança e fiabilidade durante o seu ciclo de vida, desde a sua instalação ao desmantelamento, devem ser realizadas inspeções e/ou monitorizações que, dependendo dos dados recolhidos, podem implicar avaliações Fitness- For-Service (FFS) que definirão a necessidade de reparação ou alteração do equipamento ou das condições processuais. A combinação de inspeção ou monitorização com os melhores procedimentos e técnicas de avaliação atuais fazem sobressair insuficiências dos procedimentos mais antigos. Usando métodos mais avançados de avaliação, validados e suportados através de uma vasta experiência de campo, pode-se agora avaliar defeitos nos ativos (equipamentos) e determinar a adequação ao serviço com uma análise FFS. As análises FFS tornaram-se cada vez mais aceites em toda a indústria ao longo dos últimos anos. A norma API 579 - 1/ASME FFS-1: 2007 fornece diretrizes para avaliar os tipos de danos que afetam os equipamentos processuais e a norma API RP 571: 2011 descreve os mecanismos de degradação que afetam os equipamentos nas petroquímicas e refinarias, que incluem os danos por corrosão, desalinhamentos, deformações plásticas, laminações, fissuras, entre outros. Este trabalho consiste na análise de Integridade Estrutural de uma Flare Industrial que surgiu da necessidade real de análise do equipamento no âmbito da atividade profissional do candidato. O estudo realizado a nível profissional é de grande abrangência, incluindo a inspeção do equipamento, identificação da falha ou dano, recolha e registo de dados, definição de estratégia de atuação e seleção de técnicas de avaliação da condição para posterior alteração, reparação ou desmantelamento. Na presente dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica, Ramo Construções Mecânicas, pretende-se efetuar o estudo aprofundado de uma das etapas de projeto, nomeadamente estudar a causa, avaliar a falha e implicações estruturais ou processuais devido à degradação interior do riser de uma flare, com base numa análise FFS, assumindo a operabilidade em segurança e garantindo resolutas condições de funcionamento. A presente análise FFS tem como finalidade validar ou não a integridade atual (avaliação técnica quantitativa) de modo a conhecer se o item em questão é seguro e confiável para continuar a operar em condições específicas durante um período de tempo determinado, tendo em consideração as condições verificadas no ato de inspeção e especificações de projeto, segundo os itens de verificação de segurança estabelecidos na norma EN 1990:2002/A1:2005/AC:2010 e com base na norma API 579-1/ASME FFS-1: 2007. No âmbito do presente trabalho foram realizadas as seguintes tarefas: - Identificar e analisar os mecanismos de degradação com base na norma API RP 571: 2011, face às condições processuais e geométricas que o equipamento em análise está sujeito de modo a perceber a evolução da degradação estrutural e quais as implicações na sua longevidade. - Avaliar e propor soluções de reparação e ou alterações processuais e ou geométricas do equipamento em análise de modo a permitir a continuidade em funcionamento sem afetar as condições de segurança e por conseguinte minimizar ou evitar o elevado custo económico associado a um novo equipamento e tempo de paragem processual. - Assumir limites estruturais face às condições processuais e ações externas ou adjacentes. - Garantir a segurança e qualidade da vida humana ou meio que o rodeia, do equipamento, das instalações, das infraestruturas envolventes e evitar o colapso económico, quer por motivos processuais, quer indeminizações ou agravamento do prémio do seguro. Verificou-se que os resultados serão a base para as alterações inerentes, tais como reforço estrutural, alteração da geometria do defletor, ajuste no tensionamento dos cabos e controlo da espessura mínima, de modo a alargar o período de vida útil da flare com segurança.

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

Damage assessment of fibre reinforced laminates

The use of solid wastes and natural fibres to the production of innovative composites is now a matter of environmental need. A set of hybrid composites constituted of waste rubber particles and sugarcane bagasse fibres into a thermoset composite material are drilled to determine the effect of rubber particle addition and size, sugarcane fibre addition and length and fibre chemical treatment on damage extension and related mechanical properties. Damage extension is determined by enhanced radiography for further damage measurement – diameter and areas – and correlated with mechanical test results — bearing test. The results demonstrated significant effect of the rubber and fibre additions on mechanical properties of the composites.

Protective effect of C. sativa leaf extract against UV mediated-DNA damage in a human keratinocyte cell line

Toxic effects of ultraviolet (UV) radiation on skin include protein and lipid oxidation, and DNA damage. The latter is known to play a major role in photocarcinogenesis and photoaging. Many plant extracts and natural compounds are emerging as photoprotective agents. Castanea sativa leaf extract is able to scavenge several reactive species that have been associated to UV-induced oxidative stress. The aim of this work was to analyze the protective effect of C. sativa extract (ECS) at different concentrations (0.001, 0.01, 0.05 and 0.1 μg/mL) against the UV mediated-DNA damage in a human keratinocyte cell line (HaCaT). For this purpose, the cytokinesis-block micronucleus assay was used. Elucidation of the protective mechanism was undertaken regarding UV absorption, influence on 1O2 mediated effects or NRF2 activation. ECS presented a concentration-dependent protective effect against UV-mediated DNA damage in HaCaT cells. The maximum protection afforded (66.4%) was achieved with the concentration of 0.1 μg/mL. This effect was found to be related to a direct antioxidant effect (involving 1O2) rather than activation of the endogenous antioxidant response coordinated by NRF2. Electrochemical studies showed that the good antioxidant capacity of the ECS can be ascribed to the presence of a pool of different phenolic antioxidants. No genotoxic or phototoxic effects were observed after incubation of HaCaT cells with ECS (up to 0.1 μg/mL). Taken together these results reinforce the putative application of this plant extract in the prevention/minimization of UV deleterious effects on skin.

Experimental characterization of the out-of-plane performance of regular stone masonry walls, including test setups and axial load influence

Stone masonry is one of the oldest and most worldwide used building techniques. Nevertheless, the structural response of masonry structures is complex and the effective knowledge about their mechanical behaviour is still limited. This fact is particularly notorious when dealing with the description of their out-of-plane behaviour under horizontal loadings, as is the case of the earthquake action. In this context, this paper describes an experimental program, conducted in laboratory environment, aiming at characterizing the out-of-plane behaviour of traditional unreinforced stone masonry walls. In the scope of this campaign, six full-scale sacco stone masonry specimens were fully characterised regarding their most important mechanic, geometric and dynamic features and were tested resorting to two different loading techniques under three distinct vertical pre-compression states; three of the specimens were subjected to an out-of-plane surface load by means of a system of airbags and the remaining were subjected to an out-of-plane horizontal line-load at the top. From the experiments it was possible to observe that both test setups were able to globally mobilize the out-of-plane response of the walls, which presented substantial displacement capacity, with ratios of ultimate displacement to the wall thickness ranging between 26 and 45 %, as well as good energy dissipation capacity. Finally, very interesting results were also obtained from a simple analytical model used herein to compute a set of experimental-based ratios, namely between the maximum stability displacement and the wall thickness for which a mean value of about 60 % was found.

Impacto da infiltração e afluência de águas pluviais na rede de saneamento

A existência de contribuições significativas de águas de infiltração e de águas pluviais nas redes de drenagem de águas residuais urbanas, motivaram a realização deste trabalho. Este estudo foi realizado no sistema de saneamento de Gondomar, utilizando os registos de caudais e qualidade das águas residuais em quatro estações de tratamento de águas residuais, durante quatro anos. O principal objectivo deste trabalho foi estimar as afluências de infiltração e precipitação ao sistema de saneamento e a identificação dos subsistemas críticos. Concluiu-se que a percentagem de volume excedente é cerca de 30% nos anos com maior ocorrência de precipitação. O propósito deste estudo foi também apresentar soluções para este problema, incluindo técnicas de inspecção e reparação dos elementos de drenagem, as quais foram definidas para os subsistemas identificados como críticos, Freixo e Rio Tinto. No Freixo mostrou-se importante a inspecção dos colectores, ramais e câmaras de visita, uma vez que o caudal afluente a este subsistema é muito superior ao esperado e a água residual apresenta-se diluída. Em Rio Tinto evidenciou-se como prioritária a detecção e eliminação de ligações abusivas, dado que são frequentes as ocorrências de exfiltração, com danos significativos. Para além das técnicas de detecção apresentadas considera-se que é necessário manter a monitorização de caudais e recipitação nos subsistemas, e se possível com registo contínuo ao longo do dia. Para a quantificação de precipitação é sugerida a utilização de três udómetros, de forma a permitir estabelecer com maior exactidão, a relação entre as contribuições pluviais e o caudal afluente. São apresentadas propostas, que incluem além de inspecções, ensaios e reparações, como um ponto de partida para a recolha de informação para actualização do adastro, com vista a uma futura aplicação da modelação matemática de previsão do comportamento destes subsistemas.