Estudo de falha em placas laminadas usando métodos analíticos e numéricos

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Manutenção

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.

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.

A framework for robustness assessment in the context of corroded RC structures

Structural robustness is an emergent concept related to the structural response to damage. At the present time, robustness is not well defined and much controversy still remains around this subject. Even if robustness has seen growing interest as a consequence of catastrophic consequences due to extreme events, the fact is that the concept can also be very useful when considered on more probable exposure scenarios such as deterioration, among others. This paper intends to be a contribution to the definition of structural robustness, especially in the analysis of reinforced concrete structures subjected to corrosion. To achieve this, first of all, several proposed robustness definitions and indicators and misunderstood concepts will be analyzed and compared. From this point and regarding a concept that could be applied to most type of structures and dam-age scenarios, a robustness definition is proposed. To illustrate the proposed concept, an example of corroded reinforced concrete structures will be analyzed using nonlinear analysis numerical methods based on a contin-uum strong discontinuities approach and isotropic damage models for concrete. Finally the robustness of the presented example will be assessed.

Robustness of corroded reinforced concrete structures

Short Term Scienti c Mission, COST ACTION TU-0601

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.

Target-specific multiphysics modeling for thermal medicine applications

Dissertation to obtain the degree of Doctor of Philosophy in Biomedical Engineering

Study of AC losses in medium-sized high temperature superconducting coils

The study of AC losses in superconducting pancake coils is of utmost importance for the development of superconducting devices. Due to different technical difficulties this study is usually performed considering one of two approaches: considering superconducting coils of few turns and studying AC losses in a large frequency range vs. superconducting coils with a large number of turns but measuring AC losses only in low frequencies. In this work, a study of AC losses in 128 turn superconducting coils is performed, considering frequencies ranging from 50 Hz till 1152 Hz and currents ranging from zero till the critical current of the coils. Moreover, the study of AC losses considering two different simultaneous harmonic components is also performed and results are compared to the behaviour presented by the coils when operating in a single frequency regime. Different electrical methods are used to verify the total amount of AC losses in the coil and a simple calorimetric method is presented, in order to measure AC losses in a multi-harmonic context. Different analytical and numerical methods are implemented and/or used, to design the superconducting coils and to compute the total amount of AC losses in the superconducting system and a comparison is performed to verify the advantages and drawbacks of each method.

Monte Carlo valuation of worst-of auto-callable equity swaps

This thesis proposes a Monte Carlo valuation method for Worst-of Auto-callable equity swaps. The valuation of this type of swap usually requires complex numerical methods which are implemented in “black-box” valuation systems. The method proposed is an alternative benchmark tool that is relatively simple to implement and customize. The performance of the method was evaluated according to the variance and bias of the output and to the accuracy when compared to a leading valuation system in the market.

Designing next generation car washing machines with rotary brushes

Tese de Doutoramento - Leaders for Technical Industries (LTI) - MIT Portugal

Contact force models for multibody dynamics

"Series: Solid mechanics and its applications, vol. 226"

In Search of a theory of debt management

A growing literature integrates theories of debt management into models of optimal fiscal policy. One promising theory argues that the composition of government debt should be chosen so that fluctuations in the market value of debt offset changes in expected future deficits. This complete market approach to debt management is valid even when the government only issues non-contingent bonds. A number of authors conclude from this approach that governments should issue long term debt and invest in short term assets. We argue that the conclusions of this approach are too fragile to serve as a basis for policy recommendations. This is because bonds at different maturities have highly correlated returns, causing the determination of the optimal portfolio to be ill-conditioned. To make this point concrete we examine the implications of this approach to debt management in various models, both analytically and using numerical methods calibrated to the US economy. We find the complete market approach recommends asset positions which are huge multiples of GDP. Introducing persistent shocks or capital accumulation only worsens this problem. Increasing the volatility of interest rates through habits partly reduces the size of these simulations we find no presumption that governments should issue long term debt ? policy recommendations can be easily reversed through small perturbations in the specification of shocks or small variations in the maturity of bonds issued. We further extend the literature by removing the assumption that governments every period costlessly repurchase all outstanding debt. This exacerbates the size of the required positions, worsens their volatility and in some cases produces instability in debt holdings. We conclude that it is very difficult to insulate fiscal policy from shocks by using the complete markets approach to debt management. Given the limited variability of the yield curve using maturities is a poor way to substitute for state contingent debt. The result is the positions recommended by this approach conflict with a number of features that we believe are important in making bond markets incomplete e.g allowing for transaction costs, liquidity effects, etc.. Until these features are all fully incorporated we remain in search of a theory of debt management capable of providing robust policy insights.