Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Strap repairs using embedded patches: numerical analysis and experimental results

Adhesively bonded repairs offer an attractive option for repair of aluminium structures, compared to more traditional methods such as fastening or welding. The single-strap (SS) and double-strap (DS) repairs are very straightforward to execute but stresses in the adhesive layer peak at the overlap ends. The DS repair requires both sides of the damaged structures to be reachable for repair, which is often not possible. In strap repairs, with the patches bonded at the outer surfaces, some limitations emerge such as the weight, aerodynamics and aesthetics. To minimize these effects, SS and DS repairs with embedded patches were evaluated in this work, such that the patches are flush with the adherends. For this purpose, in this work standard SS and DS repairs, and also with the patches embedded in the adherends, were tested under tension to allow the optimization of some repair variables such as the overlap length (LO) and type of adhesive, thus allowing the maximization of the repair strength. The effect of embedding the patch/patches on the fracture modes and failure loads was compared with finite elements (FE) analysis. The FE analysis was performed in ABAQUS® and cohesive zone modelling was used for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer. The comparison with the test data revealed an accurate prediction for all kinds of joints and provided some principles regarding this technique.

Rhapsody in fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

Projecto de sistema de fixação de punções para quinadoras hidráulicas

Mestrado em Engenharia Mecânica - Construções Mecânicas

Desenvolvimento de sistema de apoio dinâmico da chapa no corte em guilhotina

Guilhotinas são máquinas robustas, de corte rectilíneo, normalmente associadas a equipamentos de baixo custo, devido à pequena quantidade de dispositivos tecnológicos incorporados. No entanto, esta situação pode ser alterada através da criatividade dos projetistas deste tipo de equipamento. Analisando algumas operações específicas, pode-se observar que algumas ferramentas, quando associadas ao equipamento, podem aumentar substancialmente a produtividade do processo de corte e a qualidade do produto final. Em relação ao processo de corte de chapas finas de metal, pode-se observar que na fase final de corte, o peso do material a cortar é suspenso por uma pequena porção de material que ainda não foi sujeita ao corte. Este facto leva a uma deformação plástica nesta última zona, causando problemas de qualidade no produto final, que não ficará completamente plano. Este trabalho foi desenvolvido em torno deste problema, estudando a melhor solução para desenvolver uma nova ferramenta, capaz de evitar a falta de nivelamento da placa, após corte. Um novo equipamento foi concebido, capaz de ser facilmente incorporado na guilhotina, permitindo o acompanhamento da inclinação da lâmina durante a operação de corte. O sistema é totalmente automatizado, sendo operado por uma única instrução de corte dada pelo operador da máquina. Este sistema permite à empresa fabricante aumentar o valor agregado de cada máquina, oferecendo aos clientes soluções avançadas, contribuindo desta forma para a sustentabilidade do negócio da empresa.

Optimização do processo de fabrico de componentes para a indústria automóvel

A qualidade é um factor-chave na indústria automóvel. Todos os fornecedores de componentes para a indústria automóvel estão sujeitos a qualificações e auditorias sistemáticas, com vista a melhorar os processos e verificar a sua rastreabilidade. Quando os processos assentam essencialmente em mão-de-obra intensiva, torna-se muito mais difícil atingir a ambicionada meta dos zero-defeitos, e a garantia da qualidade pode ficar comprometida, sendo necessário instalar procedimentos de controlo mais apurados. No entanto, se o processo ou processos forem convenientemente definidos, e se optar por capital intensivo em detrimento da mão-de-obra intensiva, a garantia da qualidade pode ser uma realidade, podendo ser fortemente minimizadas as operações de controlo da qualidade. Este trabalho teve por base a necessidade de reduzir fortemente, ou eliminar mesmo, o aparecimento de defeitos de montagem num sistema designado por remachado. Após cuidada análise do processo instalado, já parcialmente automatizado, mas ainda fortemente dependente de mão-de-obra, procedeu-se ao projecto de um equipamento capaz de reproduzir o mesmo efeito, mas que acomodasse alguns possíveis defeitos oriundos dos fornecedores dos componentes que são inseridos neste conjunto, colocados a montante na cadeia de fornecimento do produto. O equipamento resultante deste trabalho permitiu baixar o tempo de ciclo, acomodar a variabilidade dimensional detectada nos componentes que constituem o conjunto e reduzir drasticamente o número de não-conformidades.

Projecto de molde para peça para a indústria automóvel

A realização deste trabalho teve por base uma solicitação por parte de uma empresa dedicada ao projecto e fabrico de moldes, assim como à injecção de plásticos, no sentido de projectar um molde para a injecção de uma peça em plástico (PP-Polipropileno +20% ) para a indústria automóvel, segundo os requisitos de qualidade exigidos pelo cliente Assim, atendendo a esses requisitos, foi planeado e elaborado o projecto do respectivo molde para a injecção, tendo em consideração todos os factores que contribuem de forma activa para a obtenção das peças desejadas, com a qualidade exigida e com o tempo de vida desejado para o molde. Tendo início na definição das cavidades e movimentos do molde, passando pela selecção dos materiais mais adequados a cada um dos componentes do molde, selecção de componentes normalizados para o molde, simulação do enchimento e necessidades de arrefecimento, até à execução do molde e análise de possíveis não conformidades nas peças nele injectadas, o trabalho acompanhou todo o processo de criação do molde, desde a recepção das especificações emanadas pelo cliente, até ao teste e realização das correcções finais. Constatou-se que o molde, após ligeiras afinações finais, cumpriu com os objectivos inicialmente traçados, permitindo a obtenção de peças com o formato e qualidade exigidas pelo cliente final.

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.

Projecto de equipamento de rotação de moldes de grande porte com recurso ao método de elementos finitos

A fabricação de moldes é uma actividade que se desenvolve em Portugal há várias décadas, com qualidade reconhecida mundialmente. A indústria automóvel é um dos principais destinos de grande parte dos moldes produzidos em Portugal. Algumas das peças produzidas nesses moldes possuem dimensões apreciáveis, tendo em conta o peso e dimensão média das peças injectadas em plástico. São exemplo disso os pára-choques dos automóveis e o tabliê. A produção dos moldes para estas peças é complexa, implicando um longo tempo de maquinagem e a manipulação dos moldes em diferentes fases, com vista ao acesso a todas as faces do molde. A IGM – Indústria Global de Moldes, SA. é a empresa responsável pela produção dos moldes para peças de média dimensão dentro do Grupo SIMOLDES. Atendendo à necessidade permanente de rodar a 90o moldes de grande porte, que podem apresentar pesos na ordem das 10 a 30 toneladas, e não existindo no mercado qualquer solução adaptável a esta necessidade, a empresa entendeu por bem levar a efeito o projecto desse equipamento, atendendo ao compromisso custo-benefício que torne viável a realização prática do mesmo. Após os esboços iniciais e uma discussão interactiva e iterativa com a empresa, foram analisadas as diferentes soluções entendidas como viáveis, tendo sido escolhido um dos anteprojectos realizados. Foram ainda discutidas as diversas alternativas de accionamento. Com base nesse anteprojecto, a estrutura foi optimizada e verificada através do Método de Elementos Finitos, tendo sido elaborado o projecto final, com o grau de detalhe necessário à sua fabricação e implementação na empresa.

Aplicação de um método de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fratura em corte de adesivos estruturais

Qualquer estrutura hoje em dia deve ser resistente, robusta e leve, o que aumentou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, nomeadamente pela melhoria das propriedades de resistência e fratura dos materiais. Com esta técnica de união, o projeto de estruturas pode ser orientado para estruturas mais leves, não só em relação à economia direta de peso relativamente às juntas aparafusas ou soldadas, mas também por causa da flexibilidade para ligar materiais diferentes. Em qualquer área da indústria, a aplicação em larga escala de uma determinada técnica de ligação supõe que estão disponíveis ferramentas confiáveis para o projeto e previsão da rotura. Neste âmbito, Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta essencial, embora seja necessário estimar as leis MDC do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Este trabalho avalia o valor da tenacidade ao corte (GIIC) de juntas coladas para três adesivos com ductilidade distinta. O trabalho experimental consiste na caracterização à fratura ao corte da ligação adesiva por métodos convencionais e pelo Integral-J. Além disso, pelo integral-J, é possível definir a forma exata da lei coesiva. Para o integral-J, é utilizado um método de correlação de imagem digital anteriormente desenvolvido para a avaliação do deslocamento ao corte do adesivo na extremidade da fenda (δs) durante o ensaio, acoplado a uma sub-rotina em Matlab® para a extração automática de δs. É também apresentado um trabalho numérico para avaliar a adequabilidade de leis coesivas triangulares aproximadas em reproduzir as curvas força-deslocamento (P-δ) experimentais dos ensaios ENF. Também se apresenta uma análise de sensibilidade para compreender a influência dos parâmetros coesivos nas previsões numéricas. Como resultado deste trabalho, foram estimadas experimentalmente as leis coesivas de cada adesivo pelo método direto, e numericamente validadas, para posterior previsão de resistência em juntas adesivas. Em conjunto com a caraterização à tração destes adesivos, é possível a previsão da rotura em modo-misto.

Estudo e otimização de juntas do tipo Tpeel soldadas, adesivas e híbridas

A necessidade de utilizar métodos de ligação que melhor satisfaçam as necessidades de projeto tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A sua utilização em diversas aplicações industriais justifica-se pela redução de peso, redução de concentrações de tensões, isolamento acústico e melhor resistência à corrosão. Contudo, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas, a fraca resistência a esforços de arrancamento e a complexidade da previsão da sua resistência. As juntas híbridas são obtidas por combinação de uma técnica tradicional com uma ligação adesiva. As juntas híbridas adesivas-soldadas obtêm-se através da combinação da ligação adesiva com a ligação soldada, sendo a soldadura de resistência por pontos a técnica de soldadura mais usada no fabrico deste tipo de juntas. A sinergia entre ligação adesiva e soldadura por pontos oferece vantagens competitivas em relação às ligações adesivas, tais como superior resistência e rigidez, e maior resistência ao arrancamento e à fadiga. No presente trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas T-peel soldadas, adesivas e híbridas (adesivas-soldadas) solicitadas ao arrancamento. Considerouse o adesivo frágil Araldite® AV138 e os adesivos dúcteis Araldite® 2015 e Sikaforce® 7752 e aderentes de aço (C45E). Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efetuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos pelo Método de Elementos Finitos (MEF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por MDC. Observou-se que, dos três adesivos em estudo, o adesivo Sikaforce® 7752 é o que apresenta o melhor desempenho na ligação de juntas T-peel. A boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos permitiu validar a utilização de MDC para previsão da resistência de juntas T-peel adesivas e híbridas. Assim, o presente trabalho representa uma base para posterior aplicação no projeto deste tipo de ligação, com as vantagens decorrentes na redução do tempo de projeto e maior facilidade de otimização.

Estudo de problemas de corrosão em cabos de aço zincado

As cablagens metálicas são aplicadas abundantemente na montagem dos automóveis, para accionamento de diversos dispositivos, tais como a abertura de portas, abertura da mala ou da tampa do motor, abertura do tampão do depósito de combustível, accionamento do travão de mão, etc. Nas cablagens metálicas utilizadas na indústria automóvel é comummente utilizado arame entrançado de aço zincado, o qual foi já estudado resistir à agressividade das condições em que habitualmente trabalham. No entanto, para que esta estabilidade de funcionamento exista, torna-se necessário que a qualidade do arame entrançado seja a mais adequada. O presente trabalho surgiu da necessidade de averiguar quais as razões que estariam por detrás do aparecimento de quantidades relativamente abundantes de Óxido de Zinco (ZnO) em cablagens metálicas utilizadas na indústria automóvel, poucas semanas depois do seu fabrico. O estudo foi levado a cabo com vista a satisfazer as necessidades de investigação deste problema por parte de uma empresa de cablagens metálicas instalada no nosso país, a FicoCables, estabelecendo quais as causas-raiz deste problema, com vista a poder evitálo no futuro. O trabalho foi concluído com sucesso, tendo-se averiguado que existiam lacunas graves de limpeza do cabo entre as operações de conformação do arame e de zincagem, com deposição de elementos potenciadores do Óxido de Zinco na interface, os quais viriam a revelar-se cruciais à posteriori, para a nucleação e desenvolvimento do Óxido de Zinco na superfície do cabo.

Estudo da resistência e mecanismos de dano em juntas adesivas entre materiais compósitos com defeitos de adesão

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens, das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, uma das limitações das juntas adesivas é a dificuldade em prever a resistência da junta após fabrico e durante a sua vida útil devido à presença de defeitos no adesivo. Os defeitos são normalmente gerados pela preparação inadequada das juntas ou degradação do adesivo devido ao ambiente (por exemplo, humidade), reduzindo a qualidade da ligação e influenciando a resistência da junta. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples (JSS) com a inclusão de defeitos centrados na camada de adesivo para comprimentos de sobreposição (LO) diferentes. Os adesivos utilizados foram o Araldite® AV138, apresentado como sendo frágil, e o adesivo Sikaforce® 7752, intitulado como adesivo dúctil. A parte experimental consistiu no ensaio à tração das diferentes JSS permitindo a obtenção das curvas força-deslocamento (P-δ). A análise numérica por modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento ((σy) e as tensões de corte (τxy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade dos MDC na previsão da resistência da junta. Constatou-se um efeito significativo dos defeitos de diferentes dimensões na resistência das juntas, que também depende do tipo de adesivo utilizado e do valor de LO. Os modelos numéricos permitiram a descrição detalhada do comportamento das juntas e previsão de resistência, embora para o adesivo dúctil a utilização de uma lei coesiva triangular tenha provocado alguma discrepância relativamente aos resultados experimentais.