Análise de transição entre cabos coaxiais constituída por corrugações e desníveis angulares.

Esta dissertação apresenta um formalismo baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), adequado a análise de descontinuidades coaxiais com simetria axial, entre duas linhas coaxiais quaisquer, incluindo corrugações nos tubos internos e externos. Pelo método de Galerkin-Budnov deduz-se um operador integral bilinear, aplicado ao campo magnético, expandido em todo o domínio da estrutura, coaxial-descontinuidade-coaxial. As portas de entrada e saída da estrutura são posicionadas distantes da descontinuidade, de forma que nelas só haja o modo Transversal Eletromagnético (TEM). O campo magnético procurado e obtido pelo MEF. Os resultados encontrados; perdas de retorno, comportamento do campo magnético e as equi-fases nas portas de entrada e saída da estrutura, foram calculados e confrontados com as do Método de Casamento de Modos (MCM), com um alto grau de concordância.

Análise dinâmica e controle de vibrações de pisos de edificações submetidos a atividades humanas rítmicas.

Um aumento crescente dos problemas estruturais associados à vibração excessiva de pisos de edificações de estruturas mistas (aço-concreto) e de concreto armado devido a atividades humanas rítmicas constitui a principal motivação para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto respaldada na obtenção da resposta dinâmica de pisos mistos (aço-concreto) e de concreto armado, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Para tal, os modelos estruturais estudados baseiam-se em pisos de edificações mistas (aço-concreto) e de concreto armado submetidos a aulas de ginástica aeróbica. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Um estudo paramétrico foi realizado sobre os modelos estruturais investigados e foram obtidos valores elevados para as acelerações de pico violando os critérios de projeto e indicando níveis de vibrações excessivas. Considerando-se os aspectos mencionados anteriormente foi desenvolvida uma estratégia com base em alternativas viáveis para o controle estrutural, objetivando a atenuação das vibrações excessivas a partir da instalação de atenuadores dinâmicos sincronizados (ADS) nos pisos analisados.

Análise vibratória de fundações de máquinas sobre estacas.

A análise de fundações sob solicitações dinâmicas é algo sempre presente em projetos na área industrial. É um campo pouco explorado na área de engenharia geotécnica, onde existem relativamente poucas informações no Brasil, de maneira geral. O método mais comum de realizar essas análises é a simplificação de modelos estruturais a partir do uso de molas. Sabe-se que esses coeficientes de reação têm uma variação relativamente grande e que esse enfoque de projeto pode, em alguns casos, mostrar-se contra a segurança ou levar a superdimensionamentos desnecessários. Verifica-se, então, a necessidade de uma avaliação mais criteriosa, utilizando a interação solo x estrutura, onde as molas comumente utilizadas nas análises vibratórias convencionais são substituídas pela rigidez real do solo quando concebido como um meio contínuo, através de sua discretização pelo método dos elementos finitos. A presente dissertação analisa o problema através do módulo de dinâmica do programa Plaxis 2D. Neste tipo de análise, além da modelagem do solo como um meio contínuo, torna-se possível introduzir condições de contorno específicas ao problema em estudo, múltiplas camadas de solo, sejam horizontais ou inclinadas, além da introdução de amortecedores capazes de evitar a reflexão espúria das ondas incidentes nos limites da malha de elementos finitos e assim modelar mais adequadamente a perda de energia por radiação. A presente dissertação compara medições experimentais e soluções eficientes de métodos vibratórios clássicos com a resposta obtida pelo MEF, mostrando resultados bastante satisfatórios tanto pelos métodos clássicos quanto pelo MEF.

Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta dissertação.

Uma Metodologia de Estudo de Simulação Tridimensional de Escoamento Turbulento Estratificado no Reservatório de Plantas Hidrelétricas.

Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada.

Elementos finitos em fluidos dominados pelo fenômeno de advecção: um método semi-Lagrangeano.

Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção.

Dem analysis of soil-pipeline interaction in sand under lateral and upward movements at deep embedment

The soil-pipeline interactions under lateral and upward pipe movements in sand are investigated using DEM analysis. The simulations are performed for both medium and dense sand conditions at different embedment ratios of up to 60. The comparison of peak dimensionless forces from the DEM and earlier FEM analyses shows that, for medium sand, both methods show similar peak dimensionless forces. For dense sand, the DEM analysis gives more gradual transition of shallow to deep failure mechanisms than the FEM analysis and the peak dimensionless forces at very deep depth are higher in the DEM analysis than in the FEM analysis. Comparison of the deformation mechanism suggests that this is due to the differences in soil movements around the pipe associated with its particulate nature. The DEM analysis provides supplementary data of the soil-pipeline interaction in sand at deep embedment condition.

Precracked reinforced concrete T-Beams repaired in shear with bonded carbon Fiber-Reinforced Polymer sheets

This study investigates the structural behavior of precracked reinforced concrete (RC) T-beams strengthened in shear with externally bonded carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) sheets. It reports on seven tests on unstrengthened and strengthened RC T-beams, identifying the influence of load history, beam depth, and percentage of longitudinal steel reinforcement on the structural behavior. The experimental results indicate that the contributions of the external CFRP sheets to the shear force capacity can be significant and depend on most of the investigated variables. This study also investigates the accuracy of the prediction of the fiber-reinforced polymer (FRP) contribution in ACI 440.2R-08, UK Concrete Society TR55, and fib Bulletin 14 design guidelines for shear strengthening. A comparison of predicted values with experimental results indicates that the guidelines can overestimate the shear contribution of the externally bonded FRP system. © 2012, American Concrete Institute.

Active control of high-frequency vibration: Optimisation using the hybrid modelling method

This work presents active control of high-frequency vibration using skyhook dampers. The choice of the damper gain and its optimal location is crucial for the effective implementation of active vibration control. In vibration control, certain sensor/actuator locations are preferable for reducing structural vibration while using minimum control effort. In order to perform optimisation on a general built-up structure to control vibration, it is necessary to have a good modelling technique to predict the performance of the controller. The present work exploits the hybrid modelling approach, which combines the finite element method (FEM) and statistical energy analysis (SEA) to provide efficient response predictions at medium to high frequencies. The hybrid method is implemented here for a general network of plates, coupled via springs, to allow study of a variety of generic control design problems. By combining the hybrid method with numerical optimisation using a genetic algorithm, optimal skyhook damper gains and locations are obtained. The optimal controller gain and location found from the hybrid method are compared with results from a deterministic modelling method. Good agreement between the results is observed, whereas results from the hybrid method are found in a significantly reduced amount of time. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mechanical response of carbon fiber composite sandwich panels with pyramidal truss cores

The combination of light carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite materials with structurally efficient sandwich panel designs offers novel opportunities for ultralight structures. Here, pyramidal truss sandwich cores with relative densities ρ̄ in the range 1-10% have been manufactured from carbon fiber reinforced polymer laminates by employing a snap-fitting method. The measured quasi-static shear strength varied between 0.8 and 7.5 MPa. Two failure modes were observed: (i) Euler buckling of the struts and (ii) delamination failure of the laminates. Micro-buckling failure of the struts was not observed in the experiments reported here while Euler buckling and delamination failures occurred for the low (ρ̄≤1%) and high (ρ̄>1%) relative density cores, respectively. Analytical models for the collapse of the composite cores by these failure modes are presented. Good agreement between the measurements and predictions based on the Euler buckling and delamination failure of the struts is observed while the micro-buckling analysis over-predicts the measurements. The CFRP pyramidal cores investigated here have a similar mechanical performance to CFRP honeycombs. Thus, for a range of multi-functional applications that require an "open-celled" architecture (e.g. so that cooling fluid can pass through a sandwich core), the CFRP pyramidal cores offer an attractive alternative to honeycombs. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

AC loss estimation of HTS armature windings for electric machines

This paper studies 2G high-temperature superconducting (HTS) coils for electric machine armature windings, using finite element method (FEM) and H formulation. A FEM model for 2G HTS racetrack coil is built in COMSOL, and is well validated by comparing calculated ac loss with experimental measurements. The FEM model is used to calculate transport loss in HTS armature windings, using air-cored design. We find that distributed winding used in conventional machine design is an effective way to reduce transport loss of HTS armature winding, in terms of air-cored design. Based on our study, we give suggestions on the design of low loss HTS armature winding. © 2002-2011 IEEE.

Programmable transformation of vertically aligned carbon nanotubes into 3D microstructures

Capillary forming of carbon nanotubes (CNTs) enables the fabrication of unique 3D microstructures over large areas. In this paper we focus on the simulation as well as on the integration of these structures in MEMS devices. We developed finite element models (FEM) that enables qualitative prediction of shape transformations caused by capillary forming; and show how capillary formed CNT structured can be integrated with conventional lithographic processing for patterning of polymers and metals in concert with CNTs. © 2011 IEEE.

Theoretical and experimental analysis of pneumatic balloon microactuators

This paper presents a theoretical and experimental analysis of a biologically inspired balloon-type pneumatic microactuator. The operation principle of pneumatic balloon actuators (PBA's) is based on an asymmetric deflection of two PDMS layers with different thicknesses or different Young's moduli that are bonded together. A new analytical 2D model that describes the complex behavior of these actuators is presented and validated using both 3D FEM models and measurements. The actuators have dimensions ranging from 11 mm × 2 mm × 0.24 mm to 4 mm × 1 mm × 0.12 mm. Their fabrication is based on micromolding of PDMS, and can therefore easily be fabricated in high throughput. Measurements showed that the analytical model provides a qualitative description of the actuator behavior, and showed that the larger actuators are capable of delivering a 7 mm stroke at a supply pressure of 70 kPa and a force of max 22 mN at a supply pressure of 105 kPa. © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modelling and characterisation of an ortho-planar micro-valve

The main difficulties encountered in the development of microscale fluidic pumping systems stem from the fact that these systems tend to comprise highly three-dimensional parts, which are incompatible with traditional microproduction technologies. Regardless of the type of pumping principle, most of the hydraulic systems contain valves and in particular a one-way valve. This paper presents the design and modelling of an ortho-planar one-way microvalve. The main advantages of such a valve are that it is very compact and can be made from a single flat piece of material. An analytical model of the spring deflection has been developed and compared to FEM. A prototype with a bore of 1.5 mm has been build using a micro EDM (electro discharge machining) machine and also tested. © 2006 International Federation for Information Processing.

Design and Performance Analysis of a 2.5 MW-Class HTS Synchronous Motor for Ship Propulsion

The development of cryogenic technology and high temperature superconducting (HTS) materials has seen continued interest worldwide in the development of HTS machines since the late 1980s. In this paper, the authors present a conceptual design of a 2.5 MW class synchronous motor. The structure of the motor is specified and the motor performance is analyzed via a three-dimensional model using the finite element method (FEM). Rotor optimization is carried out to decrease the harmonic components in the air gap field generated by HTS tapes. Based on the results of this 3D simulation, the determination of the operating conditions and load angle is discussed with consideration to the HTS material properties. The economic viability of air-core and iron-core designs is compared. The results show that this type of HTS machine has the potential to achieve an economic, efficient and effective machine design, which operates at a low load angle, and this design process provides a practical way to simulate and analyze the performance of such machines.