Desenvolvimento de um procedimento de Numerical Site Calibration para um Parque Eólico usando Dinâmica de Fluidos Computacional

Esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação de um procedimento de \Numerical Site Calibration" (NSC) para um Parque Eólico, situado a sul de Portugal, usando Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD). O NSC encontra-se baseado no \Site Calibration" (SC), sendo este um método de medição padronizado pela Comissão Electrónica Internacional através da norma IEC 61400. Este método tem a finalidade de quantificar e reduzir os efeitos provocados pelo terreno e por possíveis obstáculos, na medição do desempenho energético das turbinas eólicas. Assim, no SC são realizadas medições em dois pontos, no mastro referência e no local da turbina (mastro temporário). No entanto, em Parques Eólicos já construídos, este método não é aplicável visto ser necessária a instalação de um mastro de medição no local da turbina e, por conseguinte, o procedimento adequado para estas circunstâncias é o NSC. O desenvolvimento deste método é feito por um código CFD, desenvolvido por uma equipa de investigação do Instituto Superior de Engenharia do Porto, designado de WINDIETM, usado extensivamente pela empresa Megajoule Inovação, Lda em aplicações de energia eólica em todo mundo. Este código é uma ferramenta para simulação de escoamentos tridimensionais em terrenos complexos. As simulações do escoamento são realizadas no regime transiente utilizando as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds com aproximação de Bussinesq e o modelo de turbulência TKE 1.5. As condições fronteira são provenientes dos resultados de uma simulação realizada com Weather Research and Forecasting, WRF. Estas simulações dividem-se em dois grupos, um dos conjuntos de simulações utiliza o esquema convectivo Upwind e o outro utiliza o esquema convectivo de 4aordem. A análise deste método é realizada a partir da comparação dos dados obtidos nas simulações realizadas no código WINDIETM e a coleta de dados medidos durante o processo SC. Em suma, conclui-se que o WINDIETM e as suas configurações reproduzem bons resultados de calibração, ja que produzem erros globais na ordem de dois pontos percentuais em relação ao SC realizado para o mesmo local em estudo.

Instrumentação e monitorização na avaliação do comportamento de maciços e estruturas envolventes: caso de poços em meio urbano

Atualmente, a escavação de poços em locais densamente ocupados requer medidas severas para reduzir riscos e possíveis influências quer na própria obra quer em estruturas próximas. Neste campo, a instrumentação geotécnica e a sua monitorização tem um papel determinante na execução de obras geotécnicas, sendo que neste trabalho é dado um especial realce à instrumentação utilizada, às atividades de observação geotécnica, bem como à análise e interpretação das leituras para o controlo de movimentos induzidos no terreno pelas escavações. Este acompanhamento é baseado num plano de instrumentação, sendo descrito de uma forma transversal a importância do projeto e em particular das fases do processo de investigação geotécnica. O acompanhamento da execução dos poços para a futura Estação da Reboleira, permitiu validar as soluções de projeto para um determinado método construtivo, determinadas através de métodos numéricos e semi-empíricos, e abordados neste trabalho. A monitorização sistemática desde o início das escavações até ao revestimento secundário, permitiu tecer apreciações sobre os valores obtidos, apresentando-se alguns registos. Todas estas ações visam controlar e antecipar riscos de acidentes provocados pela execução de escavações, pelo que nesta tese é também realçada a importância da segurança e higiene no trabalho na prevenção dos riscos profissionais, independentemente da sua origem.

The use of the boundary element method in the analysis of single lap joints

The most common techniques for stress analysis/strength prediction of adhesive joints involve analytical or numerical methods such as the Finite Element Method (FEM). However, the Boundary Element Method (BEM) is an alternative numerical technique that has been successfully applied for the solution of a wide variety of engineering problems. This work evaluates the applicability of the boundary elem ent code BEASY as a design tool to analyze adhesive joints. The linearity of peak shear and peel stresses with the applied displacement is studied and compared between BEASY and the analytical model of Frostig et al., considering a bonded single-lap joint under tensile loading. The BEM results are also compared with FEM in terms of stress distributions. To evaluate the mesh convergence of BEASY, the influence of the mesh refinement on peak shear and peel stress distributions is assessed. Joint stress predictions are carried out numerically in BEASY and ABAQUS®, and analytically by the models of Volkersen, Goland, and Reissner and Frostig et al. The failure loads for each model are compared with experimental results. The preparation, processing, and mesh creation times are compared for all models. BEASY results presented a good agreement with the conventional methods.

Análise numérica e experimental de um modelo dinâmico da ponte ferroviária de Antuã

Mestrado em Engenharia Civil – Ramo Estruturas

Aplicação de métodos numéricos avançados para a previsão de resistência de ligações adesivas

Com a necessidade de encontrar uma forma de ligar componentes de forma mais vantajosa, surgiram as ligações adesivas. Nos últimos anos, a utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, substituindo alguns métodos de ligação tradicionais, por apresentarem vantagens tais como, redução de concentração de tensões, reduzido peso e facilidade de processamento/fabrico. O seu estudo permite prever a sua resistência e durabilidade. Este trabalho refere-se ao estudo de juntas de sobreposição simples (JSS), nas quais são aplicados os adesivos comerciais que variam desde frágeis e rígidos, como o caso do Araldite® AV138, até adesivos mais dúcteis, como o Araldite® 2015 e o Sikaforce® 7888. Estes são aplicados em substratos de alumínio (AL6082-T651) em juntas com diferentes geometrias e diferentes comprimentos de sobreposição (L), sendo sujeitos a esforços de tracção. Foi feita uma análise dos valores experimentais fornecidos e uma posterior comparação destes com diferentes métodos numéricos baseados em Elementos Finitos (EF). A comparação foi feita por uma análise de Modelos de Dano Coesivo (MDC) e segundo os critérios baseados em tensões e deformações do Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE). A utilização destes métodos numéricos capazes de simular o comportamento das juntas poderá levar a uma poupança de recursos e de tempo. A análise por MDC revelou que este método é bastante preciso, excepto para os adesivos que sejam bastante dúcteis. A aplicação de uma outra lei coesiva pode solucionar esse problema. Por sua vez a análise por MEFE demonstrou que esta técnica não é particularmente adequada para o crescimento de dano em modo misto e, comparativamente com o MDC, a sua precisão é bastante inferior.

Efficient Legendre spectral tau algorithm for solving two-sided space-time Caputo fractional advection-dispersion equation

In this paper we present the operational matrices of the left Caputo fractional derivative, right Caputo fractional derivative and Riemann–Liouville fractional integral for shifted Legendre polynomials. We develop an accurate numerical algorithm to solve the two-sided space–time fractional advection–dispersion equation (FADE) based on a spectral shifted Legendre tau (SLT) method in combination with the derived shifted Legendre operational matrices. The fractional derivatives are described in the Caputo sense. We propose a spectral SLT method, both in temporal and spatial discretizations for the two-sided space–time FADE. This technique reduces the two-sided space–time FADE to a system of algebraic equations that simplifies the problem. Numerical results carried out to confirm the spectral accuracy and efficiency of the proposed algorithm. By selecting relatively few Legendre polynomial degrees, we are able to get very accurate approximations, demonstrating the utility of the new approach over other numerical methods.

Caraterização das propriedades mecânicas de um adesivo estrutural de alta ductilidade

A tecnologia de ligação por adesivos estruturais tem vindo a ser utilizada ao longo de várias décadas, permitindo solucionar diversos problemas associados a técnicas chamadas "tradicionais" de ligação, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. Esta é uma alternativa viável para substituir as ligações mecânicas, devido a diversos fatores como o menor peso estrutural, menor custo de fabricação e capacidade de união de diferentes materiais. O crescente recurso a materiais compósitos em diversas indústrias, nomeadamente a aeronáutica e naval, levaram ao consequente aumento da aplicação de ligações adesivas, por serem indicadas como forma de união destes materiais, onde é de enaltecer a sua elevada resistência à fadiga. Uma junta adesiva está maioritariamente sujeita a esforços de corte e arrancamento e portanto o conhecimento dos módulos de elasticidade à tração (E) ou corte (G) do adesivo, e ainda as resistências máximas à tração e ao corte, não é suficiente quando se pretende prever o comportamento da mesma. Na verdade, torna-se necessário abranger na análise a plastificação progressiva verificada nas juntas adesivas antes da rotura, sendo necessário o conhecimento de parâmetros tais como a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) e corte (GIIc). Este trabalho pretende estudar um adesivo estrutural recentemente lançado no mercado, carecendo portanto da sua caracterização, para facilitar a previsão da resistência de estruturas adesivas ligadas com o mesmo. São 4 os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes em bruto, ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test (TAST), ensaios Double-Cantilever Beam (DCB) e ensaios End-Notched Flexure (ENF). Com a realização dos ensaios referidos, serão determinadas as propriedades mecânicas e de fratura à tração e ao corte, e serão fornecidos os parâmetros para a previsão da resistência de juntas adesivas com este adesivo por uma variedade de métodos, desde métodos analíticos mais expeditos até aos métodos numéricos mais avançados existentes atualmente. Os resultados foram de encontro aos disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes se encontravam disponíveis, obtendo-se discrepâncias bastante reduzidas nos diversos parâmetros determinados.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Numerical optimization experiments using the hyperbolic smoothing strategy to solve MPCC

In this work we solve Mathematical Programs with Complementarity Constraints using the hyperbolic smoothing strategy. Under this approach, the complementarity condition is relaxed through the use of the hyperbolic smoothing function, involving a positive parameter that can be decreased to zero. An iterative algorithm is implemented in MATLAB language and a set of AMPL problems from MacMPEC database were tested.

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.

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.

Structured Light System Calibration for Perception in Underwater Tanks

The process of visually exploring underwater environments is still a complex problem. Underwater vision systems require complementary means of sensor information to help overcome water disturbances. This work proposes the development of calibration methods for a structured light based system consisting on a camera and a laser with a line beam. Two different calibration procedures that require only two images from different viewpoints were developed and tested in dry and underwater environments. Results obtained show, an accurate calibration for the camera/projector pair with errors close to 1 mm even in the presence of a small stereos baseline.

Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

Conceção e Análise de um Demonstrador para a Monitorização Estrutural

Os sistemas de monitorização de estruturas fornecem diversas vantagens, não só no que diz respeito à durabilidade da obra, ao aumento da segurança e do conhecimento relativamente ao comportamento das estruturas ao longo do tempo, à otimização do aspeto estrutural, bem como aos aspetos económicos do processo de construção e manutenção. A monitorização deve realizar-se durante a fase de construção e/ou de exploração da obra para permitir o registo integral do seu comportamento no meio externo. Deve efetuar-se de forma contínua e automática, executando intervenções de rotina para que se possa detetar precocemente sinais de alterações, respetivamente à segurança, integridade e desempenho funcional. Assim se poderá manter a estrutura dentro de parâmetros aceitáveis de segurança. Assim, na presente dissertação será concebido um demonstrador experimental, para ser estudado em laboratório, no qual será implementado um sistema de monitorização contínuo e automático. Sobre este demonstrador será feita uma análise de diferentes grandezas em medição, tais como: deslocamentos, extensões, temperatura, rotações e acelerações. Com carácter inovador, pretende-se ainda incluir neste modelo em sintonia de medição de coordenadas GNSS com o qual se torna possível medir deslocamentos absolutos. Os resultados experimentais alcançados serão analisados e comparados com modelos numéricos. Conferem-se os resultados experimentais de natureza estática e dinâmica, com os resultados numéricos de dois modelos de elementos finitos: um de barras e outro de casca. Realizaram-se diferentes abordagens tendo em conta as características identificadas por via experimental e calculadas nos modelos numéricos para melhor ajuste e calibração dos modelos numéricos Por fim, recorre-se a algoritmos de processamento e tratamento do respetivo sinal com aplicação de filtros, que revelam melhorar com rigor o sinal, de forma a potenciar as técnicas de fusão multisensor. Pretende-se integrar o sinal GNSS com os demais sensores presentes no sistema de monitorização. As técnicas de fusão multisensor visam melhor o desempenho deste potencial sistema de medição, demonstrando as suas valências no domínio da monitorização estrutural.