Projeto de um centro de roda para veículo de competição

A presente tese surgiu da cooperação entre a empresa Semog Racing e o Instituto Superior de Engenharia do Porto, no âmbito da unidade curricular de DPEST, englobado no 2º ano do Mestrado de Engenharia Mecânica, ramo de Construções Mecânicas. Esta dissertação tem como objetivo principal, o projeto de um novo centro de roda para substituir o existente num veículo de competição da Semog Racing. Este centro deverá ser dimensionado para suportar o peso do veículo e os esforços transmitidos à roda. Pretende-se igualmente que o novo modelo apresente um design apelativo e um baixo custo de produção para poder vir ser a comercializado. Na primeira fase, será estudado o centro de roda original fornecido pela Semog Racing. Este estudo engloba a modelação do componente através do software SolidWorks® e uma fase de simulações para diferentes condições de carregamento. O estudo será complementado com a realização de ensaios experimentais para validação do modelo numérico. A segunda fase é dedicada ao desenvolvimento do novo modelo de centro de roda, focando as características mecânicas e o design. Este tem como base o estudo numérico realizado para a roda original, tendo sempre como objetivo final garantir que o novo centro de roda cumpra todos os requisitos. O caminho seguido no processo de otimização é suportado em simulações numéricas pelo método dos elementos finitos, o qual permite aferir quais os pontos críticos a corrigir. No final, será apresentado um novo modelo de centro de roda capaz de suportar as cargas previstas de serviço, que apresente um baixo custo de fabrico e design apelativo.

Estudo de reparações adesivas pela técnica de remendo embebido com reforços exteriores para aumento da resistência

As ligações adesivas têm sido utilizadas em áreas como a indústria aeroespacial, aeronáutica, de defesa, automóvel, da construção civil e das madeiras. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, maiores cadências de produção, menores custos, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência à fadiga, entre outras razões. Como tal, também se utilizam reparações adesivas para restituição da resistência de estruturas danificadas, cujas técnicas mais comuns são a sobreposição simples, sobreposição dupla e remendo embebido. As reparações por remendo embebido, que são as mais eficientes, consistem na realização de um furo cónico na zona danificada e colagem de um remendo com a forma complementar do furo, de tal forma que não é alterada a forma inicial do componente. Neste trabalho pretende-se estudar experimental e numericamente reparações adesivas por remendo embebido, nomeadamente o efeito da utilização de reforços exteriores (em um ou nos dois lados da estrutura), para diferentes ângulos de inclinação. Foi considerado um adesivo dúctil (Araldite® 2015) e outro frágil (Araldite® AV138), o que permitiu abranger processos de rotura bastante distintos. O estudo experimental é acompanhado por outro numérico no software ABAQUS®, usando modelos coesivos para a previsão numérica da resistência das reparações. O trabalho numérico permitiu o estudo das distribuições de tensões, o que possibilitou a análise detalhada dos resultados obtidos. Foi também realizado um estudo numérico de otimização das reparações por alteração da espessura dos reforços e utilização de chanfro nas extremidades dos mesmos. Nos resultados obtidos, constatou-se a adequabilidade do método numérico na previsão fiável da resistência, e também que a utilização dos reforços aumenta consideravelmente o rendimento das reparações (até 530 % e 340 % para os adesivos Araldite® 2015 e AV138, respetivamente), o que poderá justificar a sua utilização em aplicações industriais em que a perturbação aerodinâmica causada por esta alteração não seja relevante.

Comparação dos ensaios DCB e TDCB para determinação da tenacidade em tração de adesivos estruturais

O constante desenvolvimento observado nas ligações adesivas, em conjunto com as melhorias verificadas nas características dos adesivos, estão a ser traduzidos, de uma certa forma, num aumento das aplicações das ligações adesivas, assim como na variedade de aplicações. No âmbito da previsão de resistência de juntas adesivas, dois métodos de grande relevância são a Mecânica da Fratura e os Modelos de Dano Coesivo. Os Modelos de Dano Coesivo permitem a simulação da iniciação e propagação do dano, recorrendo ao Método Dos Elementos Finitos. No que concerne à Mecânica da Fratura, a previsão de resistência é geralmente feita através de uma análise energética. Independentemente da forma como é obtida, a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) dos adesivos é um dos parâmetros mais importantes para a previsão da resistência das juntas. Dois dos ensaios mais utilizados são o Double Cantilever Beam (DCB) e o Tapered Double Cantilever Beam (TDCB). Este trabalho pretende determinar e comparar o valor de GIc em juntas adesivas pelos ensaios DCB e TDCB. São utilizados três tipos de adesivos com diferentes graus de ductilidade. No ensaio DCB os métodos utilizados para a determinação de GIc são: Compliance-Based Beam Method (CBBM), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os métodos utilizados no ensaio TDCB são: Simple Beam Theory (SBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os resultados obtidos apresentam concordância entre os vários métodos de cada ensaio. A discrepância de resultados é superior quando comparados os dois tipos de ensaios.

Critical Velocity obtained using Simplified Models of the Railway Track: Viability and Applicability

Increased demands on the capacity of the railway network gave rise to new issues related to the dynamic response of railway tracks subjected to moving vehicles. Thus, it becomes important to evaluate the applicability of traditionally used simplified models which have a closed form solution. Regarding simplified models, transversal vibrations of a beam on a visco-elastic foundation subjected to a moving load are considered. Governing equations are obtained by Hamilton’s principle. Shear distortion, rotary inertia and effect of axial force are accounted for. The load is introduced as a time varying force moving at a constant velocity. Transversal vibrations induced by the load are solved by the normal-mode analysis. Reflected waves at the extremities of the full beam are avoided by introduction of semi-infinite elements. Firstly, the critical velocity obtained from this model is compared with results of an undamped Euler- Bernoulli formulation with zero axial force. Secondly, a finite element model in ABAQUS is examined. The new contribution lies in the introduction of semi- infinite elements and in the first step to a systematic comparison, which have not been published so fa

Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Avaliação do desempenho de ligações tubulares em estruturas de veículos pesados de passageiros por simulação numérica

Nesta Dissertação ir-se-á avaliar o desempenho de algumas ligações existentes nos veículos pesados de passageiros, através do Regulamento Eurocódigo 3. Nos últimos anos ocorreram diversos acidentes envolvendo este tipos de veículos, em que os mesmos causaram vítimas mortais e feridos graves. Serão testadas por simulação numérica algumas ligações pertencentes a elementos constituintes da superestrutura, em que esta é normalmente afectada com a ocorrência de acidentes. Assim sendo, o estudo de nós de ligação tem uma importância fulcral para que uma superestrutura suporte situações extremas e que resista a solicitações externas aplicadas. Iniciou-se esta Dissertação com o estudo da sinistralidade e de acidentes que envolvem veículos pesados de passageiros. No capítulo 2 abordou-se um programa que promove simulações numéricas de acidentes e estudo do comportamento dos passageiros em caso de acidente, sendo referido o Regulamento que homologa os veículos pesados de passageiros e os seus principais métodos. Abordaram-se os principais constituintes da estrutura de um veículo pesado de passageiros. No capítulo 3, é referido o Eurocódigo 3 em termos do estudo das ligações tubulares usadas neste tipo de veículos. No capítulo 4, fez-se o estudo e selecção de elementos a utilizar para a simulação numérica de casos preconizados pelo Eurocódigo 3 e estudaram-se três tipos de ligações que são usadas na construção da superestrutura deste tipo de veículos, tendo-se retirado conclusões deste estudo.

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.

Fatigue life assessment of exhaust systems for naval gas turbines

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Improved Numerical Simulation for a Novel Adaptive Control Using Fractional Order Derivatives

A novel control technique is investigated in the adaptive control of a typical paradigm, an approximately and partially modeled cart plus double pendulum system. In contrast to the traditional approaches that try to build up ”complete” and ”permanent” system models it develops ”temporal” and ”partial” ones that are valid only in the actual dynamic environment of the system, that is only within some ”spatio-temporal vicinity” of the actual observations. This technique was investigated for various physical systems via ”preliminary” simulations integrating by the simplest 1st order finite element approach for the time domain. In 2004 INRIA issued its SCILAB 3.0 and its improved numerical simulation tool ”Scicos” making it possible to generate ”professional”, ”convenient”, and accurate simulations. The basic principles of the adaptive control, the typical tools available in Scicos, and others developed by the authors, as well as the improved simulation results and conclusions are presented in the contribution.

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Adhesive selection for single lap bonded joints: Experimentation and advanced techniques for strength prediction

The integrity of multi-component structures is usually determined by their unions. Adhesive-bonding is often used over traditional methods because of the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty, and easy manufacturing. Commercial adhesives range from strong and brittle (e.g., Araldite® AV138) to less strong and ductile (e.g., Araldite® 2015). A new family of polyurethane adhesives combines high strength and ductility (e.g., Sikaforce® 7888). In this work, the performance of the three above-mentioned adhesives was tested in single lap joints with varying values of overlap length (LO). The experimental work carried out is accompanied by a detailed numerical analysis by finite elements, either based on cohesive zone models (CZM) or the extended finite element method (XFEM). This procedure enabled detailing the performance of these predictive techniques applied to bonded joints. Moreover, it was possible to evaluate which family of adhesives is more suited for each joint geometry. CZM revealed to be highly accurate, except for largely ductile adhesives, although this could be circumvented with a different cohesive law. XFEM is not the most suited technique for mixed-mode damage growth, but a rough prediction was achieved.

Cohesive law estimation of adhesive joints in mode II condition

The adhesive bonding technique enables both weight and complexity reduction in structures that require some joining technique to be used on account of fabrication/component shape issues. Because of this, adhesive bonding is also one of the main repair methods for metal and composite structures by the strap and scarf configurations. The availability of strength prediction techniques for adhesive joints is essential for their generalized application and it can rely on different approaches, such as mechanics of materials, conventional fracture mechanics or damage mechanics. These two last techniques depend on the measurement of the fracture toughness (GC) of materials. Within the framework of damage mechanics, a valid option is the use of Cohesive Zone Modelling (CZM) coupled with Finite Element (FE) analyses. In this work, CZM laws for adhesive joints considering three adhesives with varying ductility were estimated. The End-Notched Flexure (ENF) test geometry was selected based on overall test simplicity and results accuracy. The adhesives Araldite® AV138, Araldite® 2015 and Sikaforce® 7752 were studied between high-strength aluminium adherends. Estimation of the CZM laws was carried out by an inverse methodology based on a curve fitting procedure, which enabled a precise estimation of the adhesive joints’ behaviour. The work allowed to conclude that a unique set of shear fracture toughness (GIIC) and shear cohesive strength (ts0) exists for each specimen that accurately reproduces the adhesive layer’ behaviour. With this information, the accurate strength prediction of adhesive joints in shear is made possible by CZM.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.