Estudo da topologia de motores de fluxo axial de excitação híbrida com foco na utilização em tração elétrica.

Os motores de corrente contínua convencionais são muito bem conhecidos pela sua robustez e pelo seu alto nível de controlabilidade, alem do fato de possibilitarem a operação na região de enfraquecimento de campo (modo motor), quando esta situação se fizer necessária. Por estas características, as máquinas de corrente contínua ainda são empregadas nos dias atuais em nichos específicos de utilização. Não obstante, a máquina c.c. apresenta algumas desvantagens, principalmente a intensiva e dispendiosa manutenção eletromecânica necessária para sua operação. Como opção de sanar este problema, surgiram na década de 60, as máquinas elétricas de corrente contínua sem escovas (brushless) com excitação por ímãs permanentes de fluxo trapezoidal. O problema destas máquinas se deve justamente a impossibilidade da variação de fluxo de excitação uma vez que são produzidos puramente pelos ímãs. Sendo assim, este trabalho tem como propósito, o estudo de topologias diferenciadas da máquina elétrica, através de um circuito magnético não convencional para aplicação e utilização em sistemas de tração elétrica para operação na região de enfraquecimento de campo através da variação do fluxo resultante no entreferro. Como objeto de estudo, foi focada a topologia de fluxo axial com excitação híbrida, ou seja, dupla excitação (excitação a ímãs permanentes e excitação elétrica). Para o projeto da topologia proposta, nesta tese, adicionalmente ao método analítico, foram realizadas simulações computacionais para a comparação e refinamento dos resultados das grandezas eletromagnéticas da máquina.

Análise numérica e experimental de juntas aeronáuticas rebitadas sob solicitação estática.

Uniões por prendedores são elementos amplamente utilizados na indústria aeronáutica para a união de partes constituintes da aeronave. Contudo, devido à sua geometria e aos carregamentos sofridos, estes elementos estão frequentemente sujeitos a falhas por fadiga. Assim, para um projeto e dimensionamento bem executado dessas juntas, é necessário conhecer seu comportamento mecânico e o campo de tensões ao qual estão sujeitas. O método dos elementos finitos certamente atende a estas necessidades; porém, o uso de elementos sólidos tridimensionais para a representação destas uniões pode levar a análises demasiadamente demoradas e custosas, sendo desejável o uso de modelos mais simplificados. Nesse trabalho, juntas de topo assimétricas são modeladas pelo método dos elementos finitos, utilizando tanto elementos sólidos tridimensionais quanto elementos de casca, com o objetivo de encontrar um modelo relativamente simples que apresente resultados satisfatórios e requeira um menor tempo de solução. Os resultados numéricos obtidos são comparados com resultados experimentais, que utilizam extensômetros e fotoelasticidade.

Cálculo da força contra eletromotriz em máquinas síncronas com ímãs na superfície do rotor

O presente trabalho trata do cálculo da força contra eletromotriz em carga de uma máquina síncrona com ímãs na superfície do rotor (cuja forma de onda de força contra eletromotriz é não senoidal) sendo esta alimentada por correntes de fase cujas forma de onda são quadradas. Para conduzir esta investigação e calcular a força contra eletromotriz da máquina em estudo, faz-se uma revisão sobre o Método da Permeabilidade Fixa, método este que permite a linearização do ponto de operação da máquina. Dessa forma, as simulações são conduzidas por meio do método dos elementos finitos e do Método da Permeabilidade Fixa, levando-se em conta a forma de onda da corrente de alimentação. Atenção especial é dada ao modo que se analisa o fluxo concatenado e a forma de obtenção da força contra eletromotriz uma vez que as formas de onda do fluxo concatenado sofrem variações abruptas a cada 60º elétricos. Além destes parâmetros, analisa-se também cada uma das parcelas do torque eletromagnético, i.e., torque mútuo, torque de relutância e torque de borda, sendo realizado ao final do trabalho, uma comparação entre a soma da estimativa de cada parâmetro com o valor do torque eletromagnético obtido por meio de uma simulação não linear.

Determinação analítica da correção de hélice em um par engrenado devido ao efeito da flexo-torção.

O foco do presente trabalho é estudar a intensificação da pressão de contato entre os dentes de duas engrenagens cilíndricas de dentes retos, que ocorre por causa do deslocamento dos componentes de um redutor de velocidades. Essa intensificação ocorre inclusive em um redutor fabricado sem quaisquer erros de usinagem ou de montagem. A correção de hélice é uma usinagem realizada na superfície do dente da engrenagem que compensa os deslocamentos dos eixos e engrenagens, devido à flexão e à torção, e os deslocamentos dos dentes das engrenagens, devido à flexão e à pressão de contato. Foram estudados efeitos importantes para essa correção de hélice em um redutor de velocidades. Com isso, foi desenvolvido um modelo analítico que calcula a correção necessária para diminuir esse intensificador de pressão de contato em função dos deslocamentos citados acima. Esse modelo analítico foi comparado com um modelo analítico da literatura e com o software comercial RIKOR®. Os resultados de correção de hélice propostos são similares aos da literatura e do RIKOR® com exceção das bordas das engrenagens, aonde existem algumas divergências. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo sólido de engrenagem com o perfil evolvente e com as correções de hélice calculadas analiticamente. Este modelo tridimensional (3D) foi elaborado usando os softwares SolidWorks® e Inventor® e simulado por elementos finitos por meio do software ANSYS®. Verificou-se que as três correções de hélice - a proposta, a da literatura e a do RIKOR® - realmente diminuem a intensificação de pressão de contato no flanco do dente da engrenagem. Por fim, foi possível visualizar que a correção proposta nesta dissertação é 3% mais efetiva que a proposta pela literatura e pelo RIKOR® para o caso analisado.

O elemento finito T6-3i na análise de placas e dinâmica de cascas.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações.

Desenvolvimento de célula Pockels na topologia reflexiva aplicada a TP óptico de alta tensão.

O trabalho aborda o estudo e o desenvolvimento de um interferômetro sensor de alta tensão, baseado em célula Pockels (modulador eletro-óptico) na topologia reflexiva (\"double pass\") e que é parte integrante de um Transformador de Potencial Óptico (TPO), que utiliza sistema interferométrico de luz branca (WLI-White Light Interferometry), que está sendo desenvolvido pelo grupo do Laboratório de Sensores Ópticos (LSO) do PEA-EPUSP, e é capaz de medir diretamente tensões presentes em sistema elétrico de potência (SEP) classe 69kVRMS. Para desenvolver o tema proposto foi feita uma revisão da literatura baseada em livros, artigos e teses para identificar topologias em moduladores eletro-ópticos transmissiva (\"single pass\") e reflexiva (\"double pass\") para definir o tipo de modulador mais adequado para a aplicação em questão. A partir dos estudos e implementações realizadas, verificou-se um enorme potencial para o desenvolvimento e aplicação da topologia \"double pass\" no sensor interferométrico da célula de alta tensão do TPO. A topologia mostrou-se vantajosa em relação aos protótipos dos TPOs desenvolvidos anteriormente, a partir de características tais como: a facilidade de recurso de alinhamento do feixe de luz, construção e reprodução relacionados ao cristal eletro-óptico, diminuição do número de componentes ópticos volumétricos e aumento da rigidez dielétrica da célula sensora. Simulações computacionais foram realizadas mediante a aplicação do método dos elementos finitos (MEF) que contribuíram para o auxílio do projeto da célula sensora, particularmente, para estimativa do valor da voltagem de meia onda, V?, parâmetro importante para o projeto do TPO. Um protótipo do TPO com célula sensora de alta tensão reflexiva foi implementado e testado no laboratório de alta tensão do IEEUSP a partir de ensaios com tensões nominais de 69kVrms a 60Hz e máxima de 140kVrms a 60 Hz. Como resultado deste trabalho, amplia-se o conhecimento e domínio das técnicas de construção de interferômetros sensores de alta tensão na topologia reflexiva aplicadas a TPOs.

Avaliação do erro estático da ferramenta de uma máquina fresadora com arquitetura paralela.

Os mecanismos amplamente utilizados em aplicações industriais são de tipo serial, porém há algum tempo vem sendo desenvolvidos estudos sobre as vantagens que os mecanismos de arquitetura paralela oferecem em contraposição com os seriais. Rigidez, precisão, altas frequências naturais e velocidade são algumas características que os mecanismos paralelos atribuem a máquinas já consolidadas na indústria, destinadas principalmente nas operações de manipulação (pick and place). Nesse sentido, é relevante o estudo sobre a funcionalidade em outros tipos de operação como a usinagem e, particularmente o fresamento. Para isto, devem-se ainda explorar e desenvolver as capacidades dos mecanismos paralelos em relação à rigidez e à precisão nas operações mencionadas. Foi desenvolvido previamente o projeto e montagem do protótipo de uma máquina fresadora de arquitetura paralela. Também aracterizado pela redundância na atuação para o posicionamento da ferramenta. Com este intuito, pretende-se no trabalho atual, avaliar o erro estático de posicionamento da ferramenta por métodos experimentais, quantificar os deslocamentos, realizar um mapeamento experimental em diversas configurações dos membros. Por outro lado, pretende-se adaptar um modelo numérico simplificado que possa prever as deformações elásticas em diversas configurações, que contemple o efeito de juntas lineares flexíveis e que de alguma forma ajude a identificar as principais fontes de erro. Para tal, foram elaboradas rotinas de programação que através da cinemática inversa e o uso do método dos elementos finitos tentem prever o que de fato acontece nos experimentos. Foi proposta também uma implementação alternativa para o controle do mecanismo através de um software CNC e a conversão de coordenadas cartesianas em coordenadas dos atuadores, isto ajudaria na geração do código G. Finalmente, foram elaboradas algumas trajetórias que tentam avaliar a exatidão e repetitividade do mecanismo além de descrever outras trajetórias livres.

Cálculo del asiento elástico tridimensional de cimentaciones de rigidez variable en terrenos con una capa rígida inclinada

Las fórmulas basadas en la teoría de la elasticidad son ampliamente utilizadas para el cálculo de asientos de cimentaciones, ya que la totalidad de la normativa geotécnica recomienda su empleo. No obstante, estos métodos no cubren todas las situaciones geotécnicamente posibles ya que frecuentemente las condiciones geológicas son complejas. En este trabajo se analiza la influencia de la presencia de una capa rígida inclinada en los asientos elásticos de una cimentación superficial. Para ello se han resuelto 273 modelos tridimensionales no lineales de elementos finitos, variando los parámetros clave del problema: la inclinación y la profundidad de la capa rígida y la rigidez de la cimentación. Finalmente, se ha realizado un análisis estadístico de los resultados de los modelos y se ha propuesto una fórmula que puede ser utilizada en el cálculo de asientos por métodos elásticos, para tener en consideración la presencia de una capa rígida inclinada en profundidad.

Caraterização e modelação do comportamento mecânico da resina fotopolimerizada V-Flash FTI-GN

A utilização de tecnologias de prototipagem em objetos e estruturas do dia-a-dia é cada vez maior. Porém, os componentes que é possível fabricar estão em geral associados a protótipos demonstrativos não funcionais. Para ultrapassar estas limitações têm vindo a ser desenvolvidos novos materiais, procurando a melhoria das suas características mecânicas. A presente dissertação insere-se no projeto Firend®, que se tem vindo a desenvolver numa parceria entre a Academia Militar e outras instituições como o Instituto Superior Técnico e procura avaliar a viabilidade da utilização da técnica de deposição de resina fotopolimerizável por ultra-violeta no fabrico de projéteis para o transporte especial de agentes extintores, procurando caracterizar o desempenho deste material em condições operativas simulativas do disparo real. A pesquisa bibliográfica da presente dissertação baseou-se numa breve introdução aos materiais poliméricos. O trabalho teórico consistiu na modelação numérica através do método dos elementos finitos do ensaio de compressão utilizando o programa Deform® e na respetiva validação do modelo através de comparação dos resultados das simulações com dados experimentais existentes na literatura da especialidade. O trabalho experimental fundamentou-se no fabrico e preparação de provetes através da tecnologia de impressão 3D, na descrição das ferramentas utilizadas e do plano experimental. No final verificou-se a fratura de todos os provetes ensaiados e uma grande dispersão dos resultados, conseguindo-se apenas retirar uma tensão de segurança que não deve ser ultrapassada. De acordo com o estudo realizado o material ensaiado demonstrou-se não ser apropriado para a aplicação pretendida e recomenda-se a avaliação de outros materiais igualmente utilizados pelas técnicas de prototipagem rápida, tais como uma mistura de uma resina polimérica com um outro material com características mecânicas mais adequadas.

Aspetos do dimensionamento de painéis prefabricados de fachada em GRC do tipo nervurado

O recurso a sistemas de fachadas prefabricadas no ramo da Construção Civil tem-se revelado uma opção eficaz, apresentando-se como uma solução de vanguarda no sentido de garantir vantagens ao nível da qualidade e da produtividade. A introdução de painéis de GRC (Glassfibre Reinforced Concrete) no mercado da construção trouxe vantagens ao sector uma vez que compatibiliza as vantagens da prefabricação leve, elevados níveis de desempenho e uma grande latitude em termos de formas e acabamentos. Este compósito é formado por uma matriz de argamassa reforçada com fibra de vidro. A incorporação das fibras permite melhorar as propriedades mecânicas da argamassa, principalmente ao nível da resistência de tração e flexão, fazendo com que os elementos possam ter menores espessuras e consequentemente menor peso, comparativamente com peças de betão armado. No mercado são comercializados três tipos de painéis de GRC, os do tipo nervurado, os do tipo stud frame e os do tipo sanduiche. Estes vários tipos de painéis tem as suas particularidades e a seleção depende das exigências e das características da obra. O estudo teve como alvo diferentes formas e dimensões de painéis de fachada em GRC do tipo nervurado. No presente trabalho faz-se um estudo comparativo da aplicação de dois métodos de dimensionamento. Comparam-se os resultados obtidos pela teoria clássica da flexão (TCF) e pelo método dos elementos finitos (MEF) e confrontam-se estes valores com os resultados obtidos em ensaios. Com o estudo efetuado conclui-se pela validade e utilidade da análise através da TCF, cujos resultados se aproximam bastante da análise pelo MEF. Sugerem-se coeficientes de ajustamento no sentido de adaptar a pratica de projeto em conformidade com os resultados verificados.

Análise de estabilidade de falésias na zona costeira de Baía Formosa - RN

The natural and anthropogenic changes that are occurring at the coastal zone around the world represent the greatest problem to society in this century. This problem becomes more evident due to high density of coastal cities, to growing tourist-estate speculation of those areas and to climate change that tend to trigger and accelerate the erosive processes that operating in the littoral. In this context, it‟s possible perceive ever more a significant increase of problems associated to the coastal erosion and retreat of cliffs in the state of Rio Grande do Norte, where this study area of this search is located. The area is located in the coastal zone of the city of Baía Formosa/RN, in south-eastern coast of Rio Grande do Norte, and has a extension of about 1200 meters along the Porto beach. The main objective of this study is to analyze the stability of these cliffs in this region. Through field investigations, testings and computational analysis using the Finite Element Method and Equilibrium Limit Methods. The area was divided into four sections, and were applied checklists, and also realized characterization tests and direct shear tests with materials obtained along these sections. In this manner, it was found that the segments of cliff in this coastal zone have heights around 4 meters to 14 meters and inclinations of approximately 40° to 90°.However the constituents soils of the cliffs were classified, in general terms in accordance to Unified Soil Classification System (USCS), as clayey sands or silty sands, clays of low plasticity, clayey gravels and poorly graduaded sands. The most variegated and clayey soils belong to base of the cliff. The stability analysis showed that the safety factors ranged in section 01, from 1.92 to 4.93, in the section 02, from 1.00 to 1.43, in the section 03, from 1.36 to 1.75 , and section 04, from 1.00 to 3.64. Thus, the sections 02 and 03 were considered more unstable. However, the section 03 can be considered as the most critical section due to the absence of coastal protection structures and the narrow strip of beach.

Modelagem numérica de uma estrutura de contenção de estacas espaçadas atirantadas em areia

Retaining walls design involves factors such as plastification, loading and unloading, pre-stressing, excessive displacements and earth and water thrust. Furthermore, the interaction between the retained soil and the structure is rather complex and hard to predict. Despite the advances in numerical simulation techniques and monitoring of forces and displacements with field instrumentation, design projects are still based on classical methods, whose simplifying assumptions may overestimate structural elements of the retaining wall. This dissertation involves a three-dimensional numerical study on the behavior of a retaining wall using the finite element method (FEM). The retaining wall structure is a contiguous bored pile wall with tie-back anchors. The numerical results were compared to data obtained from field instrumentation. The influence of the position of one or two layers of anchors and the effects of the construction of a slab bounded at the top of the retaining wall was evaluated. Furthermore, this study aimed at investigating the phenomenon of arching in the soil behind the wall. Arching was evaluated by analyzing the effects of pile spacing on horizontal stresses and displacements. Parametric analysis with one layers of anchors showed that the smallest horizontal displacements of the structure were achieved for between 0.3 and 0.5 times the excavation depth. Parametric analyses with two anchor layers showed that the smallest horizontal displacements were achieve for anchors positioned in depths of 0.4H and 0.7H. The construction of a slab at the top of the retaining wall decreased the horizontal displacements by 0.14% times the excavation depth as compared to analyses without the slab. With regard to the arching , analyzes showed an optimal range of spacing between the faces of the piles between 0.4 and 0.6 times the diameter of the pile

Análise de tensões integrada a sistema de engenharia reversa para projeto e confecção de próteses

This work consists of the conception, developing and implementation of a Computational Routine CAE which has algorithms suitable for the tension and deformation analysis. The system was integrated to an academic software named as OrtoCAD. The expansion algorithms for the interface CAE genereated by this work were developed in FORTRAN with the objective of increase the applications of two former works of PPGEM-UFRN: project and fabrication of a Electromechanincal reader and Software OrtoCAD. The software OrtoCAD is an interface that, orinally, includes the visualization of prothetic cartridges from the data obtained from a electromechanical reader (LEM). The LEM is basically a tridimensional scanner based on reverse engineering. First, the geometry of a residual limb (i.e., the remaining part of an amputee leg wherein the prothesis is fixed) is obtained from the data generated by LEM by the use of Reverse Engineering concepts. The proposed core FEA uses the Shell's Theory where a 2D surface is generated from a 3D piece form OrtoCAD. The shell's analysis program uses the well-known Finite Elements Method to describe the geometry and the behavior of the material. The program is based square-based Lagragean elements of nine nodes and displacement field of higher order to a better description of the tension field in the thickness. As a result, the new FEA routine provide excellent advantages by providing new features to OrtoCAD: independency of high cost commercial softwares; new routines were added to the OrtoCAD library for more realistic problems by using criteria of fault engineering of composites materials; enhanced the performance of the FEA analysis by using a specific grid element for a higher number of nodes; and finally, it has the advantage of open-source project and offering customized intrinsic versatility and wide possibilities of editing and/or optimization that may be necessary in the future

Análise numérica de dutos enterrados sujeitos a elevação e recalque localizado

Problems associated to longitudinal interactions in buried pipelines are characterized as three-dimensional and can lead to different soil-pipe issues. Despite the progress achieved in research on buried pipelines, little attention has been given to the three-dimensional nature of the problem throughout the last decades. Most of researches simplify the problem by considering it in plane strain condition. This dissertation aims to present a study on the behavior of buried pipelines under local settlement or elevation, using three-dimensional simulations. Finite element code Plaxis 3D was used for the simulations. Particular aspects of the numerical modeling were evaluated and parametric analyzes were performed, was investigated the effects of soil arching in three-dimensional form. The main variables investigated were as follows: relative density, displacement of the elevation or settlement zone, elevated zone size, height of soil cover and pipe diameter/thickness ratio. The simulations were performed in two stages. The first stage was involved the validation of the numerical analysis using the physical models put forward by Costa (2005). In the second stage, numerical analyzes of a full-scale pipeline subjected to a localized elevation were performed. The obtained results allowed a detailed evaluation of the redistribution of stresses in the soil mass and the deflections along the pipe. It was observed the reduction of stresses in the soil mass and pipe deflections when the height of soil cover was decreased on regions of the pipe subjected to elevation. It was also shown for the analyzed situation that longitudinal thrusts were higher than vi circumferential trusts and exceeded the allowable stresses and deflections. Furthermore, the benefits of minimizing stress with technical as the false trench, compressible cradle and a combination of both applied to the simulated pipeline were verified

Modelagem dos efeitos da irradiação luminosa no cérebro de camundongos e rastreamento de neurônios durante experimentos de microscopia de fluorescência

The fluorescent proteins are an essential tool in many fields of biology, since they allow us to watch the development of structures and dynamic processes of cells in living tissue, with the aid of fluorescence microscopy. Optogenectics is another technique that is currently widely used in Neuroscience. In general, this technique allows to activate/deactivate neurons with the radiation of certain wavelengths on the cells that have ion channels sensitive to light, at the same time that can be used with fluorescent proteins. This dissertation has two main objectives. Initially, we study the interaction of light radiation and mice brain tissue to be applied in optogenetic experiments. In this step, we model absorption and scattering effects using mice brain tissue characteristics and Kubelka-Munk theory, for specific wavelengths, as a function of light penetration depth (distance) within the tissue. Furthermore, we model temperature variations using the finite element method to solve Pennes’ bioheat equation, with the aid of COMSOL Multiphysics Modeling Software 4.4, where we simulate protocols of light stimulation tipically used in optogenetics. Subsequently, we develop some computational algorithms to reduce the exposure of neuron cells to the light radiation necessary for the visualization of their emitted fluorescence. At this stage, we describe the image processing techniques developed to be used in fluorescence microscopy to reduce the exposure of the brain samples to continuous light, which is responsible for fluorochrome excitation. The developed techniques are able to track, in real time, a region of interest (ROI) and replace the fluorescence emitted by the cells by a virtual mask, as a result of the overlay of the tracked ROI and the fluorescence information previously stored, preserving cell location, independently of the time exposure to fluorescent light. In summary, this dissertation intends to investigate and describe the effects of light radiation in brain tissue, within the context of Optogenetics, in addition to providing a computational tool to be used in fluorescence microscopy experiments to reduce image bleaching and photodamage due to the intense exposure of fluorescent cells to light radiation.