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

Numerical Analysis on a Dual-Loop Waste Heat Recovery System Coupled with an ORC for Vehicle Applications

The internal combustion (IC) engines exploits only about 30% of the chemical energy ejected through combustion, whereas the remaining part is rejected by means of cooling system and exhausted gas. Nowadays, a major global concern is finding sustainable solutions for better fuel economy which in turn results in a decrease of carbon dioxide (CO2) emissions. The Waste Heat Recovery (WHR) is one of the most promising techniques to increase the overall efficiency of a vehicle system, allowing the recovery of the heat rejected by the exhaust and cooling systems. In this context, Organic Rankine Cycles (ORCs) are widely recognized as a potential technology to exploit the heat rejected by engines to produce electricity. The aim of the present paper is to investigate a WHR system, designed to collect both coolant and exhausted gas heats, coupled with an ORC cycle for vehicle applications. In particular, a coolant heat exchanger (CLT) allows the heat exchange between the water coolant and the ORC working fluid, whereas the exhausted gas heat is recovered by using a secondary circuit with diathermic oil. By using an in-house numerical model, a wide range of working conditions and ORC design parameters are investigated. In particular, the analyses are focused on the regenerator location inside the ORC circuits. Five organic fluids, working in both subcritical and supercritical conditions, have been selected in order to detect the most suitable configuration in terms of energy and exergy efficiencies.

Finite Element Modeling of Spiral Frequency Steerable Acoustic Transducers (FSATs) for guided waves based Structural Health Monitoring of plate-like structures

Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging area of research associated to improvement of maintainability and the safety of aerospace, civil and mechanical infrastructures by means of monitoring and damage detection. Guided wave structural testing method is an approach for health monitoring of plate-like structures using smart material piezoelectric transducers. Among many kinds of transducers, the ones that have beam steering feature can perform more accurate surface interrogation. A frequency steerable acoustic transducer (FSATs) is capable of beam steering by varying the input frequency and consequently can detect and localize damage in structures. Guided wave inspection is typically performed through phased arrays which feature a large number of piezoelectric transducers, complexity and limitations. To overcome the weight penalty, the complex circuity and maintenance concern associated with wiring a large number of transducers, new FSATs are proposed that present inherent directional capabilities when generating and sensing elastic waves. The first generation of Spiral FSAT has two main limitations. First, waves are excited or sensed in one direction and in the opposite one (180 ̊ ambiguity) and second, just a relatively rude approximation of the desired directivity has been attained. Second generation of Spiral FSAT is proposed to overcome the first generation limitations. The importance of simulation tools becomes higher when a new idea is proposed and starts to be developed. The shaped transducer concept, especially the second generation of spiral FSAT is a novel idea in guided waves based of Structural Health Monitoring systems, hence finding a simulation tool is a necessity to develop various design aspects of this innovative transducer. In this work, the numerical simulation of the 1st and 2nd generations of Spiral FSAT has been conducted to prove the directional capability of excited guided waves through a plate-like structure.

Symmetric Interior Penalty DG Methods for the Compressible Navier-Stokes Equations II: Goal--Oriented A Posteriori Error Estimation

In this article we consider the application of the generalization of the symmetric version of the interior penalty discontinuous Galerkin finite element method to the numerical approximation of the compressible Navier--Stokes equations. In particular, we consider the a posteriori error analysis and adaptive mesh design for the underlying discretization method. Indeed, by employing a duality argument (weighted) Type I a posteriori bounds are derived for the estimation of the error measured in terms of general target functionals of the solution; these error estimates involve the product of the finite element residuals with local weighting terms involving the solution of a certain dual problem that must be numerically approximated. This general approach leads to the design of economical finite element meshes specifically tailored to the computation of the target functional of interest, as well as providing efficient error estimation. Numerical experiments demonstrating the performance of the proposed approach will be presented.

Análise experimental e numérica do comportamento de estruturas de solo reforçado com geossintéticos : solo granular versus fino

As estruturas de solo reforçado com geossintéticos são normalmente constituídas por solos granulares com boas propriedades físicas e mecânicas. O uso de apenas este tipo de solos pode proporcionar o aumento, por vezes insustentável, do custo da execução das estruturas e o aumento do seu impacto ambiental. Deste modo, as estruturas de solo reforçado perdem a sua vantagem competitiva em relação a outros tipos de estruturas (muros de betão, muros de gravidade, muros de gabiões, etc.). Para resolver este problema podem ser utilizados outros tipos de solos (solos locais, finos, com propriedades físicas e mecânicas piores mas, no entanto, mais baratos) para a execução deste tipo de estruturas. De forma geral, com este estudo pretendeu-se contribuir para o incremento do conhecimento sobre a utilização de solos finos para a construção de estruturas de solo reforçado (muros e taludes). Para tal avaliaram-se as diferenças no comportamento mecânico dos materiais compósitos (solo granular reforçado versus solo fino reforçado) e das estruturas de solo reforçado constituídas com os dois tipos de solos. Assim, os objetivos deste estudo foram avaliar: a influência de vários parâmetros nas propriedades mecânicas e na capacidade de carga dos solos reforçados com geossintéticos; a influência de vários parâmetros no dimensionamento das estruturas de solo reforçado; e o comportamento das estruturas dimensionadas (incluindo a estabilidade global e a influência do processo construtivo) recorrendo a uma ferramenta numérica (PLAXIS). Para cumprir os objetivos propostos foram realizadas análises experimentais em laboratório (análise do comportamento do solo reforçado através de ensaios triaxiais e de California Bearing Ratio) e análises numéricas (dimensionamento de estruturas de solo reforçado; modelação numérica do comportamento através de uma ferramenta numérica comercial com o método dos elementos finitos). Os resultados dos ensaios experimentais mostraram que o comportamento mecânico e a capacidade de carga do solo foram incrementados com a inclusão das camadas de geossintético. Este efeito variou com os diversos parâmetros analisados mas, de forma geral, foi mais importante no solo fino (solo com propriedades mecânicas piores). As análises numéricas mostraram que as estruturas de solo fino precisaram de maior densidade de reforços para serem estáveis. Além disso, as estruturas de solo fino foram mais deformáveis e o efeito do seu processo construtivo foi mais importante (principalmente para estruturas de solo fino saturado).

Beurteilung der geomechanischen Stabilität und Integrität von Endlagerbergwerken im Salzgebirge auf der Grundlage geologischer und ingenieurgeologischer Untersuchungen

Any safety assessment of a permanent repository for radioactive waste has to include an analysis of the geomechanical stability of the repository and integrity of the geological barrier. Such an analysis is based on geological and engineering geological studies of the site, on laboratory and in-situ experiments, and on numerical calculations. Central part of the safety analysis is the geomechanical modelling of the host rock. The model should simulate as closely as possible the conditions at the site and the behaviour of the rock (e.g., geology, repository geometry, initial rock stress, and constitutive models). On the basis of the geomechanical model numerical calculations are carried out using the finite-element method and an appropriate discretization of the repository and the host rock. The assessment of the repository stability and the barrier integrity is based on calculated stress and deformation and on the behaviour of the host rock measured and observed in situ. An example of the geomechanical analysis of the stability and integrity of the Bartensieben mine, a former salt mine, is presented. This mine is actually used as a repository for low level radioactive waste. The example includes all necessary steps of geological, engineering geological, and geotechnical investigations.

Estudo experimental e numérico de juntas adesivas em T com aderentes de alumínio

Nos dias de hoje, a ligação adesiva de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça é cada vez mais usual. As juntas adesivas têm vindo a substituir muitos outros métodos de ligação, como por exemplo ligações aparafusadas, rebitas ou soldadas, devido às vantagens de facilidade na sua fabricação, resistência superior e capacidade de unir materiais diferentes. Por esta razão as juntas adesivas têm vindo a ser aplicadas cada vez mais em várias industrias como aeroespacial, aeronáutica, automóvel, naval e calçado. O tipo de adesivo a usar em determinada aplicação é principalmente escolhido consoante as suas características mecânicas e o tipo de resposta pretendida às solicitações impostas. Como exemplo de adesivo resistente e frágil existe o Araldite® AV138. Por outro lado, o adesivo Araldite® 2015 é menos resistente, mas apresenta maior ductilidade e flexibilidade. Além dos adesivos Araldite® comerciais, existem adesivos de poliuretano que combinam características de elevada resistência com características de grande ductilidade e flexibilidade, como por exemplo o Sikaforce® 7752. Esta dissertação tem como objetivo estudar experimentalmente e numericamente, através de modelos de dano coesivo (MDC), o comportamento de diferentes configurações de junta em T quando sujeitas a solicitações de arrancamento. Consideram-se os adesivos anteriormente mencionados para testar as juntas sob diferentes tipos de adesivos. A junta em T é constituída por 2 aderentes em L de alumínio e um aderente base também em alumínio, unidos por uma camada de adesivo. Experimentalmente é feito um estudo da resistência da junta com a variação da espessura dos aderentes em L (tP2). Com a análise numérica são estudadas as distribuições de tensões, evolução do dano, modos de rotura e resistência. Além disso, realizou-se um estudo numérico da existência ou não de adesivo de preenchimento na zona da curvatura dos aderentes em L nas tensões e na resistência da junta. Mostrouse que a variação da geometria nos aderentes em L, a presença de adesivo de preenchimento e o tipo de adesivo têm uma influência direta na resistência de junta. Os ensaios experimentais validaram os resultados numéricos e permitiram concluir que os MDC são uma técnica precisa para o estudo das geometrias das juntas em T.

Aplicação do método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) para a previsão da resistência de juntas adesivas de sobreposição dupla

As ligações adesivas têm sido utilizadas em diversas áreas de aplicação. A utilização das juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, por causa das vantagens significativas que apresentam comparativamente com os métodos tradicionais de ligação tais como soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico são algumas das principais vantagens das ligações adesivas. Devido à crescente utilização das ligações adesivas, torna-se necessário a existência de ferramentas que permitam prever a resistência das juntas com elevada precisão. Assim, para a análise de juntas adesivas, está a ser cada vez mais utilizado o método de Elementos Finitos. Neste âmbito o Método de Elementos Finitos eXtendido (MEFX) perfila-se como um método capaz de prever o comportamento da junta, embora este ainda não esteja convenientemente estudado no que diz respeito à aplicação a juntas adesivas. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico pelo MEFX de juntas de sobreposição dupla, nas quais são aplicados adesivos que variam desde frágeis e rígidos, como o caso do Araldite® AV138, até adesivos mais dúcteis, como o Araldite® 2015 e o Sikaforce® 7888. Foram considerados substratos de alumínio (AW6082-T651) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição, sendo sujeitos a esforços de tração de forma a avaliar o seu desempenho. Na análise numérica foi realizada uma análise da distribuição de tensões na camada adesiva, a previsão da resistência das juntas pelo MEFX segundo critérios de iniciação de dano baseados em tensões e deformações, e ainda um estudo sobre o critério energético de propagação de dano. A análise por MEFX revelou que este método é bastante preciso quando usados os critérios de iniciação de dano MAXS e QUADS, e parâmetro com valor de 1 no critério energético de propagação de dano. Apesar de ser um método pouco estudado na literatura comparativamente com outros, o MEFX apresentou resultados muito satisfatórios.

Análise hidromecânica do problema de fraturamento hidráulico

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016.

Appraisal of open software for finite element simulation of 2D metal sheet laser cut.

FEA simulation of thermal metal cutting is central to interactive design and manufacturing. It is therefore relevant to assess the applicability of FEA open software to simulate 2D heat transfer in metal sheet laser cuts. Application of open source code (e.g. FreeFem++, FEniCS, MOOSE) makes possible additional scenarios (e.g. parallel, CUDA, etc.), with lower costs. However, a precise assessment is required on the scenarios in which open software can be a sound alternative to a commercial one. This article contributes in this regard, by presenting a comparison of the aforementioned freeware FEM software for the simulation of heat transfer in thin (i.e. 2D) sheets, subject to a gliding laser point source. We use the commercial ABAQUS software as the reference to compare such open software. A convective linear thin sheet heat transfer model, with and without material removal is used. This article does not intend a full design of computer experiments. Our partial assessment shows that the thin sheet approximation turns to be adequate in terms of the relative error for linear alumina sheets. Under mesh resolutions better than 10e−5 m , the open and reference software temperature differ in at most 1 % of the temperature prediction. Ongoing work includes adaptive re-meshing, nonlinearities, sheet stress analysis and Mach (also called ‘relativistic’) effects.

Análise e Prevenção de avarias de um veio de manivelas de um motor Pielstick

Na engenharia mecânica há cada vez mais necessidade de utilizar e de prever o comportamento das máquinas térmicas, mais propriamente dos motores de combustão interna, em especial na área da manutenção e da prevenção de falha num dos componentes vitais de um motor a 4 tempos: o veio de manivelas. Esta situação já tem sido bastante observada na indústria mecânica naval, nomeadamente na Marinha Portuguesa e, devido ao seu elevado grau de importância no desempenho de qualquer motor, decidiu-se focar o trabalho desta tese no estudo dos motores a diesel S.E.M.T Pielstick das unidades navais da Marinha Portuguesa, mais especificamente das corvetas da classe “João Coutinho” e da classe “ Baptista de Andrade”, devido ao historial de ocorrência de falhas no veio de manivelas nesta classe de navios e em outras da Marinha Portuguesa. Para efetuar este estudo, utilizaram-se todos os dados relativos ao historial de ocorrências de falhas destes motores, bem como todos os dados disponíveis do fabricante destes motores, por forma a reproduzir da forma mais fiável possível um modelo tridimensional do veio de manivelas no programa de modelação informática CAD Solidworks®, e possibilitar a análise cinemática do veio de manivelas. Desta forma, foi possível simular as condições de funcionamento do motor, assim como analisar e determinar a causa de falha do veio de manivelas, visando prolongar a vida útil dos veios de manivelas, contribuindo não só para menores custos de manutenção mas também para o aumento da operacionalidade destes navios.

Simulación de excavaciones urbanas mediante modelos de elementos finitos en depósitos sedimentarios de origen aluvial en Sabaneta

En este trabajo se realizan simulaciones de excavaciones profundas en suelos de origen aluvial en la ciudad de Sabaneta, mediante el empleo de modelos en elementos finitos integrados por el software PLAXIS® -- Los desplazamientos horizontales son comparados con mediciones de inclinómetros instalados en el trasdós del muro diafragma anclado del proyecto Centro Comercial Mayorca Fase III, localizado en el municipio de Sabaneta, Antioquia -- Finalmente, se concluye acerca de la sensibilidad de los parámetros más relevantes según el modelo constitutivo empleado y la viabilidad en su aplicación para la solución del problema evaluado

Experimental and Numerical Analysis of Gas Flows in Microchannels and Micro Heat Exchanger

Due to increased interest in miniaturization, great attention has been given in the recent decade to the micro heat exchanging systems. Literature survey suggests that there is still a limited understanding of gas flows in micro heat exchanging systems. The aim of the current thesis is to further the understanding of fluid flow and heat transfer phenomenon inside such geometries when a compressible working fluid is utilized. A combined experimental and numerical approach has been utilized in order to overcome the lack of employable sensors for micro dimensional channels. After conducting a detailed comparison between various data reduction methodologies employed in the literature, the best suited methodology for gas microflow experimentalists is proposed. A transitional turbulence model is extensively validated against the experimental results of the microtubes and microchannels under adiabatic wall conditions. Heat transfer analysis of single microtubes showed that when the compressible working fluid is used, Nusselt number results are in partial disagreement with the conventional theory at highly turbulent flow regime for microtubes having a hydraulic diameter less than 250 microns. Experimental and numerical analysis on a prototype double layer microchannel heat exchanger showed that compressibility is detrimental to the thermal performance. It has been found that compressibility effects for micro heat exchangers are significant when the average Mach number at the outlet of the microchannel is greater than 0.1 compared to the adiabatic limit of 0.3. Lastly, to avoid a staggering amount of the computational power needed to simulate the micro heat exchanging systems with hundreds of microchannels, a reduced order model based on the porous medium has been developed that considers the compressibility of the gas inside microchannels. The validation of the proposed model against experimental results of average thermal effectiveness and the pressure loss showed an excellent match between the two.

Active control of sound radiated by vibrating surfaces on a McLaren supercar

Sound radiators based on forced vibrations of plates are becoming widely employed, mainly for active sound enhancement and noise cancelling systems, both in music and automotive environment. Active sound enhancement solutions based on electromagnetic shakers hence find increasing interest. Mostly diffused applications deal with active noise control (ANC) and active vibration control systems for improving the acoustic experience inside or outside the vehicle. This requires investigating vibrational and, consequently, vibro-acoustic characteristics of vehicles. Therefore, simulation and processing methods capable of reducing the calculation time and providing high-accuracy results, are strongly demanded. In this work, an ideal case study on rectangular plates in fully clamped conditions preceded a real case analysis on vehicle panels. The sound radiation generated by a vibrating flat or shallow surface can be calculated by means of Rayleigh’s integral. The analytical solution of the problem is here calculated implementing the equations in MATLAB. Then, the results are compared with a numerical model developed in COMSOL Multiphysics, employing Finite Element Method (FEM). A very good matching between analytical and numerical solutions is shown, thus the cross validation of the two methods is achieved. The shift to the real case study, on a McLaren super car, led to the development of a mixed analytical-numerical method. Optimum results were obtained with mini shakers excitement, showing good matching of the recorded SPL with the calculated one over all the selected frequency band. In addition, a set of directivity measurements of the hood were realized, to start studying the spatiality of sound, which is fundamental to active noise control systems.

Importance of considering a material micro-failure criterion in the numerical modelling of the shot peening process applied to parabolic leaf springs

Shot peening is a cold-working mechanical process in which a shot stream is propelled against a component surface. Its purpose is to introduce compressive residual stresses on component surfaces for increasing the fatigue resistance. This process is widely applied in springs due to the cyclical loads requirements. This paper presents a numerical modelling of shot peening process using the finite element method. The results are compared with experimental measurements of the residual stresses, obtained by the X-rays diffraction technique, in leaf springs submitted to this process. Furthermore, the results are compared with empirical and numerical correlations developed by other authors.