Modelling the lava dome extruded at Soufrière Hills Volcano, Montserrat, August 2005–May 2006. Part II: Rockfall activity and talus deformation

During many lava dome-forming eruptions, persistent rockfalls and the concurrent development of a substantial talus apron around the foot of the dome are important aspects of the observed activity. An improved understanding of internal dome structure, including the shape and internal boundaries of the talus apron, is critical for determining when a lava dome is poised for a major collapse and how this collapse might ensue. We consider a period of lava dome growth at the Soufrière Hills Volcano, Montserrat, from August 2005 to May 2006, during which a 100 × 106 m3 lava dome developed that culminated in a major dome-collapse event on 20 May 2006. We use an axi-symmetrical Finite Element Method model to simulate the growth and evolution of the lava dome, including the development of the talus apron. We first test the generic behaviour of this continuum model, which has core lava and carapace/talus components. Our model describes the generation rate of talus, including its spatial and temporal variation, as well as its post-generation deformation, which is important for an improved understanding of the internal configuration and structure of the dome. We then use our model to simulate the 2005 to 2006 Soufrière Hills dome growth using measured dome volumes and extrusion rates to drive the model and generate the evolving configuration of the dome core and carapace/talus domains. The evolution of the model is compared with the observed rockfall seismicity using event counts and seismic energy parameters, which are used here as a measure of rockfall intensity and hence a first-order proxy for volumes. The range of model-derived volume increments of talus aggraded to the talus slope per recorded rockfall event, approximately 3 × 103–13 × 103 m3 per rockfall, is high with respect to estimates based on observed events. From this, it is inferred that some of the volumetric growth of the talus apron (perhaps up to 60–70%) might have occurred in the form of aseismic deformation of the talus, forced by an internal, laterally spreading core. Talus apron growth by this mechanism has not previously been identified, and this suggests that the core, hosting hot gas-rich lava, could have a greater lateral extent than previously considered.

Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: Quantitative explanations for some longstanding problems

The assumption that negligible work is involved in the formation of new surfaces in the machining of ductile metals, is re-examined in the light of both current Finite Element Method (FEM) simulations of cutting and modern ductile fracture mechanics. The work associated with separation criteria in FEM models is shown to be in the kJ/m2 range rather than the few J/m2 of the surface energy (surface tension) employed by Shaw in his pioneering study of 1954 following which consideration of surface work has been omitted from analyses of metal cutting. The much greater values of surface specific work are not surprising in terms of ductile fracture mechanics where kJ/m2 values of fracture toughness are typical of the ductile metals involved in machining studies. This paper shows that when even the simple Ernst–Merchant analysis is generalised to include significant surface work, many of the experimental observations for which traditional ‘plasticity and friction only’ analyses seem to have no quantitative explanation, are now given meaning. In particular, the primary shear plane angle φ becomes material-dependent. The experimental increase of φ up to a saturated level, as the uncut chip thickness is increased, is predicted. The positive intercepts found in plots of cutting force vs. depth of cut, and in plots of force resolved along the primary shear plane vs. area of shear plane, are shown to be measures of the specific surface work. It is demonstrated that neglect of these intercepts in cutting analyses is the reason why anomalously high values of shear yield stress are derived at those very small uncut chip thicknesses at which the so-called size effect becomes evident. The material toughness/strength ratio, combined with the depth of cut to form a non-dimensional parameter, is shown to control ductile cutting mechanics. The toughness/strength ratio of a given material will change with rate, temperature, and thermomechanical treatment and the influence of such changes, together with changes in depth of cut, on the character of machining is discussed. Strength or hardness alone is insufficient to describe machining. The failure of the Ernst–Merchant theory seems less to do with problems of uniqueness and the validity of minimum work, and more to do with the problem not being properly posed. The new analysis compares favourably and consistently with the wide body of experimental results available in the literature. Why considerable progress in the understanding of metal cutting has been achieved without reference to significant surface work is also discussed.

Toughness & oblique metalcutting

The implications of whether new surfaces in cutting are formed just by plastic flow past the tool or by some fracturelike separation process involving significant surface work, are discussed. Oblique metalcutting is investigated using the ideas contained in a new algebraic model for the orthogonal machining of metals (Atkins, A. G., 2003, "Modeling Metalcutting Using Modern Ductile Fracture Mechanics: Quantitative Explanations for Some Longstanding Problems," Int. J. Mech. Sci., 45, pp. 373–396) in which significant surface work (ductile fracture toughnesses) is incorporated. The model is able to predict explicit material-dependent primary shear plane angles and provides explanations for a variety of well-known effects in cutting, such as the reduction of at small uncut chip thicknesses; the quasilinear plots of cutting force versus depth of cut; the existence of a positive force intercept in such plots; why, in the size-effect regime of machining, anomalously high values of yield stress are determined; and why finite element method simulations of cutting have to employ a "separation criterion" at the tool tip. Predictions from the new analysis for oblique cutting (including an investigation of Stabler's rule for the relation between the chip flow velocity angle C and the angle of blade inclination i) compare consistently and favorably with experimental results.

Velocity-based moving mesh methods for nonlinear partial differential equations

This article describes a number of velocity-based moving mesh numerical methods formultidimensional nonlinear time-dependent partial differential equations (PDEs). It consists of a short historical review followed by a detailed description of a recently developed multidimensional moving mesh finite element method based on conservation. Finite element algorithms are derived for both mass-conserving and non mass-conserving problems, and results shown for a number of multidimensional nonlinear test problems, including the second order porous medium equation and the fourth order thin film equation as well as a two-phase problem. Further applications and extensions are referenced.

Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling

In this paper, numerical analyses of the thermal performance of an indirect evaporative air cooler incorporating a M-cycle cross-flow heat exchanger has been carried out. The numerical model was established from solving the coupled governing equations for heat and mass transfer between the product and working air, using the finite-element method. The model was developed using the EES (Engineering Equation Solver) environment and validated by published experimental data. Correlation between the cooling (wet-bulb) effectiveness, system COP and a number of air flow/exchanger parameters was developed. It is found that lower channel air velocity, lower inlet air relative humidity, and higher working-to-product air ratio yielded higher cooling effectiveness. The recommended average air velocities in dry and wet channels should not be greater than 1.77 m/s and 0.7 m/s, respectively. The optimum flow ratio of working-to-product air for this cooler is 50%. The channel geometric sizes, i.e. channel length and height, also impose significant impact to system performance. Longer channel length and smaller channel height contribute to increase of the system cooling effectiveness but lead to reduced system COP. The recommend channel height is 4 mm and the dimensionless channel length, i.e., ratio of the channel length to height, should be in the range 100 to 300. Numerical study results indicated that this new type of M-cycle heat and mass exchanger can achieve 16.7% higher cooling effectiveness compared with the conventional cross-flow heat and mass exchanger for the indirect evaporative cooler. The model of this kind is new and not yet reported in literatures. The results of the study help with design and performance analyses of such a new type of indirect evaporative air cooler, and in further, help increasing market rating of the technology within building air conditioning sector, which is currently dominated by the conventional compression refrigeration technology.

An unstructured CVFEM and moving interface algorithm for non-Newtonian Hele-Shaw flows in injection molding

Purpose - The purpose of this paper is to develop a novel unstructured simulation approach for injection molding processes described by the Hele-Shaw model. Design/methodology/approach - The scheme involves dual dynamic meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset. The quasi-static pressure solution in each timestep for this evolving unstructured mesh system is approximated using a control volume finite element method formulation coupled to a corresponding modified volume of fluid method. The flow is considered to be isothermal and non-Newtonian. Findings - Supporting numerical tests and performance studies for polystyrene described by Carreau, Cross, Ellis and Power-law fluid models are conducted. Results for the present method are shown to be comparable to those from other methods for both Newtonian fluid and polystyrene fluid injected in different mold geometries. Research limitations/implications - With respect to the methodology, the background pointset infers a mesh that is dynamically reconstructed here, and there are a number of efficiency issues and improvements that would be relevant to industrial applications. For instance, one can use the pointset to construct special bases and invoke a so-called ""meshless"" scheme using the basis. This would require some interesting strategies to deal with the dynamic point enrichment of the moving front that could benefit from the present front treatment strategy. There are also issues related to mass conservation and fill-time errors that might be addressed by introducing suitable projections. The general question of ""rate of convergence"" of these schemes requires analysis. Numerical results here suggest first-order accuracy and are consistent with the approximations made, but theoretical results are not available yet for these methods. Originality/value - This novel unstructured simulation approach involves dual meshes with active and inactive cells determined from an initial background pointset: local active dual patches are constructed ""on-the-fly"" for each ""active point"" to form a dynamic virtual mesh of active elements that evolves with the moving interface.

Modeling and simulation of the anode in direct ethanol fuels cells

Mathematical modeling has been extensively applied to the study and development of fuel cells. In this work, the objective is to characterize a mechanistic model for the anode of a direct ethanol fuel cell and perform appropriate simulations. The software Comsol Multiphysics (R) (and the Chemical Engineering Module) was used in this work. The software Comsol Multiphysics (R) is an interactive environment for modeling scientific and engineering applications using partial differential equations (PDEs). Based on the finite element method, it provides speed and accuracy for several applications. The mechanistic model developed here can supply details of the physical system, such as the concentration profiles of the components within the anode and the coverage of the adsorbed species on the electrode surface. Also, the anode overpotential-current relationship can be obtained. To validate the anode model presented in this paper, experimental data obtained with a single fuel cell operating with an ethanol solution at the anode were used. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Movements and mechanical stresses in gas-filled flat plate solar collectors

Sealed gas filled flat plate solar collectors will have stresses in the material since volume and pressure varies in the gas when the temperature changes. Several geometries were analyzed and it could be seen that it is possible reducing the stresses and improve the safety factor of the weakest point in the construction by using larger area and/or reducing the distance between glass and absorber and/or change width and height relationship so the tubes are getting longer. Further it could be shown that the safety factor won't always get improved with reinforcements. It is so because when an already strong part of the collector gets reinforced it will expose weaker parts for higher stresses. The finite element method was used for finding out the stresses.

Minimization of stock weight during close-die forging of a spindle

In this paper, Finite Element method and full-scale experiments have been used to study a hot forging method for fabri-cation of a spindle using reduced initial stock size. The forging sequence is carried out in two stages. In the first stage, the hot rolled cylindrical billet is pre-formed and pierced in a closed die using a spherical nosed punch to within 20 mm of its base. This process of piercing or impact extrusion leads to high strains within the work piece but requires high press loads. In the second stage, the resulting cylinder is placed in a die with a flange chamber and upset forged to form a flange. The stock mass is optimized for complete die filling. Process parameters such as effective strain distribution, material flow and forging load in different stages of the process are analyzed. It is concluded from the simulations that minor modifications of piercing punch geometry to reduce contact between the punch and emerging vertical walls of the cylinder appreciably reduces the piercing load. In the flange chamber, a die surfaces angle of 52° instead of 45° is pro-posed to ensure effective material flow and exert sufficient tool pressure to achieve complete cavity filling. In order to achieve better compression, it is also proposed to shorten both the length of the inserted punch and the die “tongues” by a few mm.

Um estudo de percolação em barragens de terra, em regimes permanente e transiente, com a aplicação do método de elementos finitos

Este trabalho apresenta um estudo de fluxo de água em barragens de terra, em regimes permanente e transiente, com a utilização do Método de Elementos Finitos. No estudo de fluxo em regime permanente duas formas de abordar o problema são apresentadas e comparadas. A primeira considera, para a discretização da malha de elementos finitos, somente a região saturada, de maneira que a linha freática é obtida através de ajustes desta malha de elementos finitos. A segunda considera toda a região saturada-insaturada, sendo discretizado todo o domínio físico da barragem. A malha de elementos finitos não é modificada ao longo das iterações e a linha freática é obtida por interpolação dentro dos elementos, em função dos valores nodais do potencial de pressões. O desenvolvimento teórico das equações utilizadas para as duas formas de abardagem é apresentado, mostrando onde elas diferem entre si. No estudo de fluxo em regime transiente é utilizado apenas o esquema de malha fixa de elementos finitos.

Análise numérica e experimental do comportamento de fundações superficiais assentes em solo melhorado

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de camadas superficiais de solo melhorado como base de fundações superficiais. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de placa de 30 cm de diâmetro sobre camadas de solo residual compactado e de solo tratado com cimento (teor de 5% de cimento), ambas com 60 cm de espessura. O programa experimental também incluiu a retirada de amostras de campo das camadas de solo melhorado para a execução de ensaios triaxiais drenados (CID) com medida interna de deformações, a fim de obter parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. Uma comparação entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras retiradas em campo e moldadas em laboratório (Rohlfes Junior, 1996) é apresentada. A diferença entre os resultados dos ensaios triaxiais com amostras de campo e laboratório foi significativa para o caso das amostras de solo melhorado com cimento, tal fato é atribuído principalmente a dificuldade de mistura em campo. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga x recalque das placas assentes sobre camadas de solo melhorado. O modelo Pseudo-Elástico Não Linear (Hiperbólico) foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento dos novos materiais. Os resultados dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento carga x recalque do solo natural (Cudmani, 1994). A analise do comportamento de fundações superficiais assentes em solos estratificados, através de simulações numéricas, demonstrou ser eficiente para a previsão do comportamento carga x recalque das mesmas.

Estudo do comportamento de um solo mole tratado com cal, visando seu uso em fundações superficiais

Neste trabalho foi analisada a melhoria nas características de um solo mole quando tratado com cal, bem como a viabilidade técnica de se utilizar este novo material como uma camada suporte de fundações superficiais. O solo estudado classifica-se pedologicamente como Gley Húmico e a jazida localiza-se no município de Canoas/RS, às margens da BR 386. O trabalho teve as seguintes finalidades: realizar um estudo da influência dos diferentes teores de cal sobre as características tensão x deformação do solo tratado; verificar o ganho de resistência com o tempo de cura; modelar o comportamerito tensão x deformação do material tratado; realizar simulações numéricas, através do Método dos Elementos Finitos, do comportamento carga x recalque de fundações continuas flexíveis assentes sobre o novo material. Adotou-se o teor ótimo de cal (obtido pelo método de Eades & Grim, 1966) de 9% e dois valores inferiores de 7% e 5%. Realizaram-se os seguintes ensaios sobre o solo natural e as misturas de solo-cal: limites de Atterberg, compactação, granulometria, difratograma de raio X, permeabilidade (triaxial) e ensaios triaxiais adensados não drenados(CIU). Todos os ensaios foram realizados para três tempos de cura (7, 28 e 90 dias) e os corpos de prova foram curados em câmara úmida. Para modelar o comportamento tensão x deformação do solo melhorado, adotou-se o Modelo Hiperbólico e para o solo natural o Modelo Cam-Clay Modificado. O Modelo Hiperbólico foi implementado no software CRISPSO, desenvolvido na Universidade de Cambridge, Inglaterra. O software foi utilizado em um estudo paramétrico para determinar a influência do processo de estabilização no comportamento carga x recalque de fundações superficiais. Dos resultados obtidos, concluiu-se: que o método de Eades & Grim (1966) não mostrou-se adequado para determinação do teor ótimo de cal; houve, de maneira geral, melhora nas características físicas com o tratamento com cal; não houve ganho de resistência com o tempo de cura; o modelo hiperbólico representou bem o comportamento das misturas de solo cal e a colocação de uma camada de solo tratado apresenta melhoras no comportamento carga x recalque de fundações superficiais contínuas flexíveis.

Fundações superficiais para linhas de transmissão em argilas moles saturadas

As fundações empregadas para linhas de transmissão de alta tensão em depósitos de argilas moles saturadas são geralmente estacas. No Rio Grande do Sul, projetos alternativos com fundações superficiais foram empregados em forma experimental para torres de suspensão, as quais apresentaram bom desempenho com menor custo. Esta pesquisa visa apontar critérios racionais da mecânica dos solos que permitam projetar, a partir do conhecimento do perfil de resistência não drenada, fundações superficiais em depósitos de argilas moles saturadas com maior confiabilidade. Para a determinaçao do perfil de resistência não drenada foi desenvolvido um cone manual com leituras elétricas, o qual foi testado apresentando bons resultados. A vantagem do uso deste equipamento reside no fato de que pode ser transportado manualmente a locais de difícil acesso, onde são implantadas as torres de alta tensão. Os demais parâmetros de solos do local de estudo, situado no município de Canoas no Rio Grande do Sul, foram obtidos a partir de ensaios de compressão triaxial do tipo adensado isotropicamente não drenado (CIU) com medida de poro pressão e de ensaios de adensamento. Foram analisadas as fundações superficiais das torres de suspensão projetadas, empregando teorias analíticas convencionais, baseadas no conhecimento da resistência não drenada, e o método de elementos finitos. A partir deste estudo, é sugerida uma metodologia para projetos de fundações superficiais de torres de suspensão em argilas moles saturadas.

Estudo do comportamento de um solo residual melhorado atraves de tecnicas mecanicas e fisico-quimicas e sua aplicacao a analise de fundacoes superficiais

O presente trabalho tem como objetivo estudar o comportamento de um solo residual melhorado através do uso de técnicas mecânicas de compactação e da adição de cimento. Complementarmente foram realizadas análises numéricas destes materiais tratados quando utilizados como base de fundações superficiais. O programa experimental incluiu a retirada de amostras intactas e de material amolgado para a execução de ensaios triaxiais saturados drenados com medida interna de deformações, a fim de estudar o comportamento do solo natural e do solo tratado, quer por compactação, quer por adição de cimento e compactação. Além disto, tais ensaios são determinantes na obtenção de parâmetros constitutivos para a realização de simulações numéricas. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para simular o comportamento carga versus recalque de placas assentes sobre o solo natural e sobre camadas de solo melhorado. O modelo Hiperbólico foi empregado na análise numérica para modelar o comportamento tensãodeformação dos materiais. Os resultados das simulações dos ensaios de placa sobre camadas de solo melhorado demonstraram que houve um aumento significativo da capacidade de suporte, além de uma redução considerável dos recalques, quando comparados ao comportamento do solo natural.

O forjamento de ligas de alumínio : um estudo para a liga ABNT 6061

Este trabalho pretende, na visão de novas tecnologias, discutir o processo de forjamento das ligas de alumínio (ABNT 6061), buscando propor uma metodologia baseada na ciência da engenharia. Deseja-se minimizar os procedimentos de tentativa e erro no desenvolvimento de processos de conformação. Para tanto, novas tecnologias disponíveis atualmente, tais como o Projeto Assistido por Computador (CAD), a Fabricação Assistida por Computador (CAM) e a Simulação do Processo (CAE) são empregadas. Resultados experimentais mostrando o comportamento da liga ABNT 6061 através das curvas de escoamento bem como o estabelecimento da condição do atrito no processo de conformação, avaliando dois lubrificantes comerciais disponíveis (Deltaforge 31 e Oildag) para aplicações nas ligas de alumínio, são reportados neste trabalho. A comparação dos resultados obtidos de um experimento prático de forjamento com a simulação pelo “Método dos Elementos Finitos” usando o código “QForm” é apresentada para uma peça de simetria axial em liga de alumínio. Finalmente, os resultados obtidos no forjamento de um componente automotivo em liga de alumínio (ABNT 6061), desenvolvido em parceria com a empresa Dana, são analisados e comparados com as simulações computacionais realizadas usando o código “Superforge”.