Strength prediction of single- and double-lap joints by standard and extended finite element modelling

The structural integrity of multi-component structures is usually determined by the strength and durability of their unions. Adhesive bonding is often chosen over welding, riveting and bolting, due to the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty and easy manufacturing, amongst other issues. In the past decades, the Finite Element Method (FEM) has been used for the simulation and strength prediction of bonded structures, by strength of materials or fracture mechanics-based criteria. Cohesive-zone models (CZMs) have already proved to be an effective tool in modelling damage growth, surpassing a few limitations of the aforementioned techniques. Despite this fact, they still suffer from the restriction of damage growth only at predefined growth paths. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the FEM, developed to allow the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom with special displacement functions, thus overcoming the main restriction of CZMs. These two techniques were tested to simulate adhesively bonded single- and double-lap joints. The comparative evaluation of the two methods showed their capabilities and/or limitations for this specific purpose.

Effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints

Bonded unions are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional fastening, riveting, bolting and welding techniques. Between the available bonding configurations, the single-lap joint is the most commonly used and studied by the scientific community due to its simplicity, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes in single-lap joints is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses at the damage initiation sites in structures or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints was analyzed experimentally with two main purposes: (1) to check whether or not the anchorage effect of the adhesive within the holes is more preponderant than the stress concentrations near the holes, arising from the sharp edges, and modification of the joints straining behaviour (strength improvement or reduction, respectively) and (2) picturing a real scenario on which the components to be bonded are modified by some external factor (e.g. retrofitting of decaying/old-fashioned fastened unions). Tests were made with two adhesives (a brittle and a ductile one) varying the adherend thickness and the number, layout and diameter of the holes. Experimental testing showed that the joints strength never increases from the un-modified condition, showing a varying degree of weakening, depending on the selected adhesive and hole drilling configuration.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.

Efeito de alterações geométricas na resistência de juntas de sobreposição

A utilização de juntas coladas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. As juntas de sobreposição simples são o tipo de juntas mais frequentemente utilizadas em aplicações industriais, porque são as mais simples de fabricar. No entanto, a aplicação descentrada da carga neste tipo de junta provoca efeitos de flexão que originam o aparecimento de tensões normais na direção da espessura do adesivo (arrancamento), reduzindo assim a resistência da junta colada. De uma maneira geral, existem dois tipos de métodos para reduzir as concentrações de tensões. O primeiro é utilizar alterações no próprio material, otimizando as propriedades do adesivo e do substrato, enquanto o segundo método envolve alterar a geometria da junta, como por exemplo utilizando filetes de adesivo, chanfros nas extremidades dos substratos, aplicar uma geometria ondulada ou dobrar os substratos na zona de sobreposição, ou ainda utilizar rasgos nos substratos ao longo da sobreposição. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e numérico por Elementos Finitos de duas alterações efetuadas à geometria de juntas de sobreposição simples, de modo a aumentar a sua resistência comparativamente às juntas sem alteração geométrica. A primeira condição efetuada foi a utilização de rasgos nas extremidades do comprimento de sobreposição e a segunda foi a utilização de rasgos a meio do comprimento de sobreposição. No final do estudo experimental, verificou-se que a resistência da ligação foi significativamente melhorada com algumas das configurações testadas para cada alteração, e foi possível estabelecer em ambos os casos a configuração ótima. Numa fase posterior, procedeu-se à simulação numérica, que incluiu uma análise de tensões e previsão do comportamento das juntas através de modelos de dano coesivo. A análise permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas. Obteve-se uma concordância bastante boa com os resultados experimentais, o que mostrou a adequabilidade do método de previsão proposto para estimar o comportamento das juntas.

Filtering method in backlash phenomena analysis

The behavior of robotic manipulators with backlash is analyzed. Based on the pseudo-phase plane two indices are proposed to evaluate the backlash effect upon the robotic system: the root mean square error and the fractal dimension. For the dynamical analysis the noisy signals captured from the system are filtered through wavelets. Several tests are developed that demonstrate the coherence of the results.

Control of a 6-DOF parallel manipulator through a mechatronic approach

This paper shows that a hierarchical architecture, distributing several control actions in growing levels of complexity and using resources of reconfigurable computing, enables one to take into account the ease of future modifications, updates and improvements in robotic applications. An experimental example of a Stewart—Gough platform control (a platform applied as the solution to countless practical problems) is presented using reconfigurable computing. The software and hardware developed are structured in independent blocks. This open architecture implementation allows easy expansion of the system and better adaptation of the platform to its related tasks.

Manipulator trajectory planning using a MOEA

Generating manipulator trajectories considering multiple objectives and obstacle avoidance is a non-trivial optimization problem. In this paper a multi-objective genetic algorithm based technique is proposed to address this problem. Multiple criteria are optimized considering up to five simultaneous objectives. Simulation results are presented for robots with two and three degrees of freedom, considering two and five objectives optimization. A subsequent analysis of the spread and solutions distribution along the converged non-dominated Pareto front is carried out, in terms of the achieved diversity.

Pulseira inteligente para aplicações industriais e de lazer

Nos últimos anos, o avanço da tecnologia e a miniaturização de diversos componentes têm permitido o aparecimento de novos conceitos, ideias e projetos, que até aqui não passariam de filmes de ficção científica. Com a tecnologia atual, podem ser desenvolvidos pequenos dispositivos wearable com diversas interfaces, múltiplas conectividades, poder de processamento e autonomia. Permitindo desta forma, dar resposta à crescente necessidade de interação com os mais diversos equipamentos eletrónicos do dia-a-dia, melhorando o acesso e o fornecimento de informação. O principal objetivo deste trabalho passa assim por demonstrar e implementar um conceito que permita estreitar e facilitar a interação entre o utilizador e o mundo que o rodeia, quer em ambientes domésticos quer industriais. Para isso foi projetado e implementado um dispositivo wearable (para utilização no pulso) baseado numa arquitetura de hardware e software capaz de correr diferentes aplicações, tais como extensão de alertas de um smartphone, crowdsourcing de informações meteorológicas, manutenção e inspeção industrial e monitorização remota de forças de segurança. Os resultados obtidos demonstram que este conceito é viável tanto do ponto de vista técnico como funcional, evidenciando boas hipóteses para que estes conceitos, métodos e tecnologias possam ser integradas em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projetos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA) bem como nos contextos industrial e de lazer.

Occupational risk in a glass manufacturing industry unit

Risk assessment is one of the main pillars of the framework directive and other directives in respect of health and safety. It is also the basis of an effective management of safety and health as it is essential to reduce work-related accidents and occupational diseases. To survey the hazards eventually present in the workplaces the usual procedures are i) gathering information about tasks/activities, employees, equipment, legislation and standards; ii) observation of the tasks and; iii) quantification of respective risks through the most adequate risk assessment among the methodologies available. From this preliminary evaluation of a welding plant and, from the different measurable parameters, noise was considered the most critical. This paper focus not only the usual way of risk assessment for noise but also another approach that may allow us to identify the technique with which a weld is being performed.

Towards Active Course Marks for Autonomous Sailing Competitions

This paper describes the environmental monitoring / regatta beacon buoy under development at the Laboratory of Autonomous Systems (LSA) of the Polytechnic Institute of Porto. On the one hand, environmentalmonitoring of open water bodies in real or deferred time is essential to assess and make sensible decisions and, on the other hand, the broadcast in real time of position, water and wind related parameters allows autonomous boats to optimise their regatta performance. This proposal, rather than restraining the boats autonomy, fosters the development of intelligent behaviour by allowing the boats to focus on regatta strategy and tactics. The Nautical and Telemetric Application (NAUTA) buoy is a dual mode reconfigurable system that includes communications, control, data logging, sensing, storage and power subsystems. In environmental monitoring mode, the buoy gathers and stores data from several underwater and above water sensors and, in regatta mode, the buoy becomes an active course mark for the autonomous sailing boats in the vicinity. During a race, the buoy broadcasts its position, together with the wind and the water current local conditions, allowing autonomous boats to navigate towards and round the mark successfully. This project started with the specification of the requirements of the dual mode operation, followed by the design and building of the buoy structure. The research is currently focussed on the development of the modular, reconfigurable, open source-based control system. The NAUTA buoy is innovative, extensible and optimises the on board platform resources.

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.

Calibração automática para sistema de localização Multi-câmara

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Sistemas Autónomos

Estrutura a partir do Movimento em Sistemas Autónomos

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Ramo de Sistemas Autónomos

Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático

O principal motivo para a realização deste trabalho consistiu no desenvolvimento de tecnologia robótica, que permitisse o mergulho e ascenção de grandes profundidades de uma forma eficiente. O trabalho realizado contemplou uma fase inicial de análise e estudo dos sistemas robóticos existentes no mercado, bem como métodos utilizados identificando vantagens e desvantagens em relação ao tipo de veículo pretendido. Seguiu-se uma fase de projeto e estudo mecânico, com o intuito de desenvolver um veículo com variação de lastro através do bombeamento de óleo para um reservatório exterior, para variar o volume total do veículo, variando assim a sua flutuabilidade. Para operar a grande profundidade com AUV’s é conveniente poder efetuar o trajeto up/down de forma eficiente e a variação de lastro apresenta vantagens nesse aspeto. No entanto, contrariamente aos gliders o interesse está na possibilidade de subir e descer na vertical. Para controlar a flutuabilidade e ao mesmo tempo analisar a profundidade do veículo em tempo real, foi necessario o uso de um sistema de processamento central que adquirisse a informação do sensor de pressão e comunicasse com o sistema de variação de lastro, de modo a fazer o controlo de posicionamento vertical desejado. Do ponto de vista tecnológico procurou-se desenvolver e avaliar soluções de variação de volume intermédias entre as dos gliders (poucas gramas) e as dos ROV’s workclass (dezenas ou centenas de kilogramas). Posteriormente, foi desenvolvido um simulador em matlab (Simulink) que reflete o comportamento da descida do veículo, permitindo alterar parâmetros do veículo e analisar os seus resultados práticos, de modo a poder ajustar o veículo real. Nos resultados simulados verificamos o cálculo das velocidades limite atingidas pelo veículo com diferentes coeficientes de atrito, bem como o comportamento da variação de lastro do veículo no seu deslocamento vertical. Sistema de Variação de Lastro para Controlo de Movimento Vertical de Veículo Subaquático Por fim, verificou-se ainda a capacidade de controlo do veículo para uma determinada profundiade, e foi feita a comparação entre estas simulações executadas com parâmetros muito próximos do ensaio real e os respetivos ensaios reais.