A sensitivity study of the WRF model in wind simulation for an area of high wind energy

The performance of the Weather Research and Forecast (WRF) model in wind simulation was evaluated under different numerical and physical options for an area of Portugal, located in complex terrain and characterized by its significant wind energy resource. The grid nudging and integration time of the simulations were the tested numerical options. Since the goal is to simulate the near-surface wind, the physical parameterization schemes regarding the boundary layer were the ones under evaluation. Also, the influences of the local terrain complexity and simulation domain resolution on the model results were also studied. Data from three wind measuring stations located within the chosen area were compared with the model results, in terms of Root Mean Square Error, Standard Deviation Error and Bias. Wind speed histograms, occurrences and energy wind roses were also used for model evaluation. Globally, the model accurately reproduced the local wind regime, despite a significant underestimation of the wind speed. The wind direction is reasonably simulated by the model especially in wind regimes where there is a clear dominant sector, but in the presence of low wind speeds the characterization of the wind direction (observed and simulated) is very subjective and led to higher deviations between simulations and observations. Within the tested options, results show that the use of grid nudging in simulations that should not exceed an integration time of 2 days is the best numerical configuration, and the parameterization set composed by the physical schemes MM5–Yonsei University–Noah are the most suitable for this site. Results were poorer in sites with higher terrain complexity, mainly due to limitations of the terrain data supplied to the model. The increase of the simulation domain resolution alone is not enough to significantly improve the model performance. Results suggest that error minimization in the wind simulation can be achieved by testing and choosing a suitable numerical and physical configuration for the region of interest together with the use of high resolution terrain data, if available.

Feasibility of the extended finite element method for the simulation of composite bonded joints

Adhesive-bonding for the unions in multi-component structures is gaining momentum over welding, riveting and fastening. It is vital for the design of bonded structures the availability of accurate damage models, to minimize design costs and time to market. Cohesive Zone Models (CZM’s) have been used for fracture prediction in structures. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the Finite Element Method (FEM) that relies on traction-separation laws similar to those of CZM’s but it allows the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom. This work proposes and validates a damage law to model crack propagation in a thin layer of a structural epoxy adhesive using the XFEM. The fracture toughness in pure mode I (GIc) and tensile cohesive strength (sn0) were defined by Double-Cantilever Beam (DCB) and bulk tensile tests, respectively, which permitted to build the damage law. The XFEM simulations of the DCB tests accurately matched the experimental load-displacement (P-d) curves, which validated the analysis procedure.

Cutting forces and wear analysis of Si3N4 diamond coated tools in high speed machining

Si3N4 tools were coated with a thin diamond film using a Hot-Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) reactor, in order to machining a grey cast iron. Wear behaviour of these tools in high speed machining was the main subject of this work. Turning tests were performed with a combination of cutting speeds of 500, 700 and 900 m min−1, and feed rates of 0.1, 0.25 and 0.4 mm rot−1, remaining constant the depth of cut of 1 mm. In order to evaluate the tool behaviour during the turning tests, cutting forces were analyzed being verified a significant increase with feed rate. Diamond film removal occurred for the most severe set of cutting parameters. It was also observed the adhesion of iron and manganese from the workpiece to the tool. Tests were performed on a CNC lathe provided with a 3-axis dynamometer. Results were collected and registered by homemade software. Tool wear analysis was achieved by a Scanning Electron Microscope (SEM) provided with an X-ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) system. Surface analysis was performed by a profilometer.

Analysis of the domain of applicability of an algorithm for a resources system selection problem for Distributed/Agile/Virtual Enterprises integration

The process of resources systems selection takes an important part in Distributed/Agile/Virtual Enterprises (D/A/V Es) integration. However, the resources systems selection is still a difficult matter to solve in a D/A/VE, as it is pointed out in this paper. Globally, we can say that the selection problem has been equated from different aspects, originating different kinds of models/algorithms to solve it. In order to assist the development of a web prototype tool (broker tool), intelligent and flexible, that integrates all the selection model activities and tools, and with the capacity to adequate to each D/A/V E project or instance (this is the major goal of our final project), we intend in this paper to show: a formulation of a kind of resources selection problem and the limitations of the algorithms proposed to solve it. We formulate a particular case of the problem as an integer programming, which is solved using simplex and branch and bound algorithms, and identify their performance limitations (in terms of processing time) based on simulation results. These limitations depend on the number of processing tasks and on the number of pre-selected resources per processing tasks, defining the domain of applicability of the algorithms for the problem studied. The limitations detected open the necessity of the application of other kind of algorithms (approximate solution algorithms) outside the domain of applicability founded for the algorithms simulated. However, for a broker tool it is very important the knowledge of algorithms limitations, in order to, based on problem features, develop and select the most suitable algorithm that guarantees a good performance.

Numerical evaluation of three-dimensional scarf repairs in carbon-epoxy structures

The widespread employment of carbon-epoxy laminates in high responsibility and severely loaded applications introduces an issue regarding their handling after damage. Repair of these structures should be evaluated, instead of their disposal, for cost saving and ecological purposes. Under this perspective, the availability of efficient repair methods is essential to restore the strength of the structure. The development and validation of accurate predictive tools for the repairs behaviour are also extremely important, allowing the reduction of costs and time associated to extensive test programmes. Comparing with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. This work reports on a numerical study of the tensile behaviour of three-dimensional scarf repairs in carbon-epoxy structures, using a ductile adhesive (Araldite® 2015). The finite elements analysis was performed in ABAQUS® and Cohesive Zone Modelling was used for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer. Trapezoidal cohesive laws in each pure mode were used to account for the ductility of the specific adhesive mentioned. A parametric study was performed on the repair width and scarf angle. The use of over-laminating plies covering the repaired region at the outer or both repair surfaces was also tested as an attempt to increase the repairs efficiency. The obtained results allowed the proposal of design principles for repairing composite structures.

Taper angle optimization of scarf repairs in carbon-epoxy laminates

The increasing use of Carbon-Fibre Reinforced Plastic (CFRP) laminates in high responsibility applications introduces an issue regarding their handling after damage. The availability of efficient repair methods is essential to restore the strength of the structure. The availability of accurate predictive tools for the repairs behaviour is also essential for the reduction of costs and time associated to extensive tests. This work reports on a numerical study of the tensile behaviour of three-dimensional (3D) adhesively-bonded scarf repairs in CFRP structures, using a ductile adhesive. The Finite Element (FE) analysis was performed in ABAQUS® and Cohesive Zone Models (CZM’s) was used for the simulation of damage in the adhesive layer. A parametric study was performed on two geometric parameters. The use of overlaminating plies covering the repaired region at the outer or both repair surfaces was also tested as an attempt to increase the repairs efficiency. The results allowed the proposal of design principles for repairing CFRP structures.

REXIB: Remote Experiments Interface Builder

Remote Experimentation is an educational resource that allows teachers to strengthen the practical contents of science & engineering courses. However, building up the interfaces to remote experiments is not a trivial task. Although teachers normally master the practical contents addressed by a particular remote experiment they usually lack the programming skills required to quickly build up the corresponding web interface. This paper describes the automatic generation of experiment interfaces through a web-accessible Java application. The application displays a list of existent modules and once the requested modules have been selected, it generates the code that enables the browser to display the experiment interface. The tools? main advantage is enabling non-tech teachers to create their own remote experiments.

Desenvolvimento de um jogo de simulação do sistema de produção Lean ferramentas: balanceamento da linha, VSM e SMED

Uma grande parte do tempo de uma organização é despendida em atividades que não criam qualquer tipo de valor. Este tipo de atividades são consideradas como desperdícios, pois consomem recursos e tempo, como é o caso de deslocações, controlos, ajustes, armazenamento de materiais, resolução de problemas, entre tantos outros, levando a um elevado custo dos produtos disponibilizados. Em 1996 a designação de Lean Thinking foi usada, pela primeira vez, por Womack e Jones, onde é falada como uma filosofia de gestão, que tem como principal objetivo reduzir os desperdícios num processo produtivo. Reduzindo os desperdícios aumenta-se a qualidade e diminui-se os tempos de processamento e, consequentemente, os custos de produção. É nesta base que assenta o documento aqui presente, que tem o objetivo de criar e desenvolver um jogo de simulação onde seja possível aplicar várias ferramentas Lean. O jogo de simulação é uma continuação de uma pesquisa e estudo teórico de um aluno de erasmus e faz parte de um projeto internacional do Lean Learning Academy (LLA). Criou-se um processo produtivo de montagem de canetas que fosse o mais semelhante ao que se encontram nas empresas, com todos os acessórios para o pleno funcionamento da simulação, como é o caso de instruções de montagem, procedimentos de controlo e ordens de produção, para assim posteriormente ser possível analisar os dados e as dificuldades encontradas, de modo a aplicar-se as ferramentas Lean. Apesar de serem abordadas várias ferramentas Lean neste trabalho, foram trabalhadas mais detalhadamente as seguintes: - Value Stream Mapping (VSM); - Single Minute Exchange of Dies (SMED); - Balanceamento da linha. De modo a ser percetível o conteúdo e as vantagens das três ferramentas Lean mencionadas no trabalho, estas foram aplicadas e simuladas, de forma a existir uma componente prática no seu estudo, para mais fácil compreensão e rápida aprendizagem.

Real time manufacturing systems simulator

A área da simulação computacional teve um rápido crescimento desde o seu apareciment, sendo actualmente uma das ciências de gestão e de investigação operacional mais utilizadas. O seu princípio baseia-se na replicação da operação de processos ou sistemas ao longo de períodos de tempo, tornando-se assim uma metodologia indispensável para a resolução de variados problemas do mundo real, independentemente da sua complexidade. Das inúmeras áreas de aplicação, nos mais diversos campos, a que mais se destaca é a utilização em sistemas de produção, onde o leque de aplicações disponível é muito vasto. A sua aplicação tem vindo a ser utilizada para solucionar problemas em sistemas de produção, uma vez que permite às empresas ajustar e planear de uma maneira rápida, eficaz e ponderada as suas operações e os seus sistemas, permitindo assim uma rápida adaptação das mesmas às constantes mudanças das necessidades da economia global. As aplicações e packages de simulação têm seguindo as tendências tecnológicas pelo que é notório o recurso a tecnologias orientadas a objectos para o desenvolvimento das mesmas. Este estudo baseou-se, numa primeira fase, na recolha de informação de suporte aos conceitos de modelação e simulação, bem como a respectiva aplicação a sistemas de produção em tempo real. Posteriormente centralizou-se no desenvolvimento de um protótipo de uma aplicação de simulação de ambientes de fabrico em tempo real. O desenvolvimento desta ferramenta teve em vista eventuais fins pedagógicos e uma utilização a nível académico, sendo esta capaz de simular um modelo de um sistema de produção, estando também dotada de animação. Sem deixar de parte a possibilidade de integração de outros módulos ou, até mesmo, em outras plataformas, houve ainda a preocupação acrescida de que a sua implementação recorresse a metodologias de desenvolvimento orientadas a objectos.

Evaluation of tools and cutting conditions on carbon fibre reinforced laminates

The distinctive characteristics of carbon fibre reinforced plastics, like low weight or high specific strength, had broadened their use to new fields. Due to the need of assembly to structures, machining operations like drilling are frequent. In result of composites inhomogeneity, this operation can lead to different damages that reduce mechanical strength of the parts in the connection area. From these damages, delamination is the most severe. A proper choice of tool and cutting parameters can reduce delamination substantially. In this work the results obtained with five different tool geometries are compared. Conclusions show that the choice of an adequate drill can reduce thrust forces, thus delamination damage.

Simulação de um Pool Simétrico com validação técnica do despacho provisório e apresentação de medidas corretivas baseadas num despacho ótimo

Os mercados de energia elétrica são atualmente uma realidade um pouco por todo o mundo. Contudo, não é consensual o modelo regulatório a utilizar, o que origina a utilização de diferentes modelos nos diversos países que deram início ao processo de liberalização e de reestruturação do sector elétrico. A esses países, dado que a energia elétrica não é um bem armazenável, pelo menos em grandes quantidades, colocam-se questões importantes relacionadas com a gestão propriamente dita do seu sistema elétrico. Essas questões implicam a adoção de regras impostas pelo regulador que permitam ultrapassar essas questões. Este trabalho apresenta um estudo feito aos mercados de energia elétrica existentes um pouco por todo o mundo e que o autor considerou serem os mais importantes. Foi também feito um estudo de ferramentas de otimização essencialmente baseado em meta-heurísticas aplicadas a problemas relacionados com a operação dos mercados e com os sistemas elétricos de energia, como é o exemplo da resolução do problema do Despacho Económico. Foi desenvolvida uma aplicação que simula o funcionamento de um mercado que atua com o modelo Pool Simétrico, em que são transmitidas as ofertas de venda e compra de energia elétrica por parte dos produtores, por um lado, e dos comercializadores, consumidores elegíveis ou intermediários financeiros, por outro, analisando a viabilidade técnica do Despacho Provisório. A análise da viabilidade técnica do Despacho Provisório é verificada através do modelo DC de trânsito de potências. No caso da inviabilidade do Despacho Provisório, por violação de restrições afetas ao problema, são determinadas medidas corretivas a esse despacho, com base nas ofertas realizadas e recorrendo a um Despacho Ótimo. Para a determinação do Despacho Ótimo recorreu-se à meta-heurística Algoritmos Genéticos. A aplicação foi desenvolvida no software MATLAB utilizando a ferramenta Graphical User Interfaces. A rede de teste utilizada foi a rede de 14 barramentos do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). A aplicação mostra-se competente no que concerne à simulação de um mercado com tipo de funcionamento Pool Simétrico onde são efetuadas ofertas simples e onde as transações ocorrem no mercado diário, porém, não reflete o problema real relacionado a este tipo de mercados. Trata-se, portanto, de um simulador básico de um mercado de energia cujo modelo de funcionamento se baseia no tipo Pool Simétrico.

Aplicação de ferramentas de simulação estocástica na área de planeamento de uma empresa de abastecimento de água

No presente trabalho procura-se evidenciar algumas soluções para aplicação de simulação estocástica num contexto de gestão dos ativos, aplicado a um sistema de abastecimento de água, tirando partido da informação disponível sobre a manutenção que vem realizando, ao longo dos anos. Procura-se também descrever como estas metodologias podem ser aplicadas noutros casos, futuramente, beneficiando ainda da recolha de informação de colaboradores da empresa, com experiência no cargo e com elevado conhecimento do funcionamento das infraestruturas. A simulação estocástica é uma área cujas ferramentas podem dar uma preciosa ajuda no processo de tomada de decisão. Por outro lado, as organizações preocupam-se, cada vez mais, com o tema da gestão de ativos e com os custos a si associados, começando a investir mais tempo e dinheiro nessa matéria com o objetivo de delinearem estratégias para aumentar o período de vida útil dos seus ativos e otimizarem os seus investimentos de renovação. Nesse contexto, evidencia-se que um adequado plano de intervenções de manutenção e operação é uma boa metodologia, para garantir a redução de falhas no sistema de abastecimento de uma empresa desse setor, bem como garantir que as infraestruturas se encontram em condições de funcionamento. Contudo, esta abordagem tradicional não será suficiente para garantir as melhores práticas e os objetivos que se pretendem alcançar com uma gestão de ativos atual. O trabalho inclui, ainda, um estudo de caso com que se aplicaram as ferramentas estudadas a um caso real de um grupo de bombagem, de uma das Estações Elevatórias da empresa.

Análise estocástica com recurso a ferramentas informáticas no planeamento de empreitadas de construção

O presente trabalho, desenvolvido sob a orientação do Prof. Jaime Gabriel Silva, centra-se na procura e aplicação de metodologias de planeamento com apoio de ferramentas informáticas de análise de risco, que permitem realizar, em tempo útil, o cálculo dos prazos resultantes de inúmeras combinações possíveis associadas à incerteza das durações das atividades, recorrendo a modelos estocásticos. O trabalho aborda inicialmente o contexto da Gestão na Construção, com particular enfase na Gestão do Risco. Nessa fase inicial, fez-se também um pequeno inquérito a profissionais com diferentes níveis de responsabilidade organizacional e empresas do setor. A parte fundamental do trabalho, incide nos procedimentos a adotar na elaboração do planeamento de empreitadas. Nesta parte do trabalho, introduzem-se os conceitos da análise de risco com recurso a uma ferramenta informática de apoio, o @Risk, que permite a utilização do Método de Monte Carlo, para obtenção de resultados num contexto de uma tomada de decisão baseada no risco. Refira-se que houve vários contactos com o fornecedor do programa, que permitiram tirar partido de outro programa da Palisade, Evolver, direcionado para otimização matemática, podendo ser utilizado, por exemplo, na perspetiva da minimização dos custos, o que pode interessar pela relação destes com as opções adotadas na elaboração do planeamento de empreendimentos. Finalmente, toma-se um exemplo real do planeamento de uma empreitada em execução à data da realização deste trabalho, onde se aplicaram os conceitos desenvolvidos no trabalho, confrontando os resultados com o andamento da obra.

Using the learning tools interoperability framework for LMS integration in service oriented architectures

The LMS plays an indisputable role in the majority of the eLearning environments. This eLearning system type is often used for presenting, solving and grading simple exercises. However, exercises from complex domains, such as computer programming, require heterogeneous systems such as evaluation engines, learning objects repositories and exercise resolution environments. The coordination of networks of such disparate systems is rather complex. This work presents a standard approach for the coordination of a network of eLearning systems supporting the resolution of exercises. The proposed approach use a pivot component embedded in the LMS with two roles: provide an exercise resolution environment and coordinate the communication between the LMS and other systems exposing their functions as web services. The integration of the pivot component with the LMS relies on the Learning Tools Interoperability. The validation of this approach is made through the integration of the component with LMSs from two vendors.

Mathematical modeling and simulation of heat flow through pultrusion die assembly system for thermoset composites

Pultrusion is an industrial process used to produce glass fibers reinforced polymers profiles. These materials are worldwide used when performing characteristics, such as great electrical and magnetic insulation, high strength to weight ratio, corrosion and weather resistance, long service life and minimal maintenance are required. In this study, we present the results of the modelling and simulation of heat flow through a pultrusion die by means of Finite Element Analysis (FEA). The numerical simulation was calibrated based on temperature profiles computed from thermographic measurements carried out during pultrusion manufacturing process. Obtained results have shown a maximum deviation of 7%, which is considered to be acceptable for this type of analysis, and is below to the 10% value, previously specified as maximum deviation. © 2011, Advanced Engineering Solutions.