A discontinuous-Galerkin-based immersed boundary method with non-homogeneous boundary conditions and its application to elasticity

We propose a discontinuous-Galerkin-based immersed boundary method for elasticity problems. The resulting numerical scheme does not require boundary fitting meshes and avoids boundary locking by switching the elements intersected by the boundary to a discontinuous Galerkin approximation. Special emphasis is placed on the construction of a method that retains an optimal convergence rate in the presence of non-homogeneous essential and natural boundary conditions. The role of each one of the approximations introduced is illustrated by analyzing an analog problem in one spatial dimension. Finally, extensive two- and three-dimensional numerical experiments on linear and nonlinear elasticity problems verify that the proposed method leads to optimal convergence rates under combinations of essential and natural boundary conditions. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

A discontinuous-Galerkin-based immersed boundary method

A numerical method to approximate partial differential equations on meshes that do not conform to the domain boundaries is introduced. The proposed method is conceptually simple and free of user-defined parameters. Starting with a conforming finite element mesh, the key ingredient is to switch those elements intersected by the Dirichlet boundary to a discontinuous-Galerkin approximation and impose the Dirichlet boundary conditions strongly. By virtue of relaxing the continuity constraint at those elements. boundary locking is avoided and optimal-order convergence is achieved. This is shown through numerical experiments in reaction-diffusion problems. Copyright (c) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

Mastication effort study using photorefractive holographic interferometry technique

The purpose of this work was the force-displacement response analysis of the masticatory process in a dried human skull by Double-Exposure Photorefractive Holographic Interferometry Technique (2E-PRHI). The load concentration and dissipation of the forces from dried human skull were analysed at applied loading stands as a Simulation of Isolated Contraction (SIC) of some mastication muscles. The 2EHI and Fringe Analysis Method were used to obtain the quantitative results of this force-displacement response. These results document quantitatively the real biomechanical response from dried human skull under applied loading and it can be used for complementary study by finite element model and others analysis type. Crown Copyright (C) 2009 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Carbon supported electrocatalysts prepared by the sol-gel method and their utilization for the oxidation of methanol in acid media

One of the key objectives in fuel-cell technology is to improve the performance of the anode catalyst for the alcohol oxidation and reduce Pt loading. Here, we show the use of six different electrocatalysts synthesized by the sol -gel method on carbon powder to promote the oxidation of methanol in acid media. The catalysts Pt-PbO(x) and Pt-(RuO(2)-PbO(x)) with 10% of catalyst load exhibited significantly enhanced catalytic activity toward the methanol oxidation reaction as compared to Pt-(RuO(2))/C and Pt/C electrodes. Cyclic voltammetry studies showed that the electrocatalysts Pt-PbO(x)/C and Pt-(RuO(2)-PbO(x))/C started the oxidation process at extremely low potentials and that they represent a good novelty to oxidize methanol. Furthermore, quasi-stationary polarization experiments and cronoamperometry studies showed the good performance of the Pt-PbO(x), Pt-(RuO(2)-PbO(x))/C and Pt-(RuO(2)-IrO(2))/C catalysts during the oxidation process. Thus, the addition of metallic Pt and PbO(x) onto high-area carbon powder, by the sol -gel route, constitutes an interesting way to prepare anodes with high catalytic activity for further applications in direct methanol fuel cell systems.

Design method for solar heating systems in combination with pellet boilers/stoves

In this study an optimization method for the design of combined solar and pellet heating systems is presented and evaluated. The paper describes the steps of the method by applying it for an example of system. The objective of the optimization was to find the design parameters that give the lowest auxiliary energy (pellet fuel + auxiliary electricity) and carbon monoxide (CO) emissions for a system with a typical load, a single family house in Sweden. Weighting factors have been used for the auxiliary energy use and CO emissions to give a combined target function. Different weighting factors were tested. The results show that extreme weighting factors lead to their own minima. However, it was possible to find factors that ensure low values for both auxiliary energy and CO emissions.

Load and Season Adapted Solar Collectors

In Sweden solar irradiation and space heating loads are unevenly distributed over the year. Domestic hot water loads may be nearly constant. Test results on solar collector performance are often reported as yearly output of a certain collector at fixed temperatures, e g 25, 50 and 75 C. These data are not suitable for dimensioning of solar systems, because the actual performance of the collector depends heavily on solar fraction and load distribution over the year.At higher latitudes it is difficult to attain high solar fractions for buildings, due to overheating in summer and small marginal output for added collector area. Solar collectors with internal reflectors offer possibilities to evade overheating problems and deliver more energy at seasons when the load is higher. There are methods for estimating the yearly angular irradiation distribution, but there is a lack of methods for describing the load and the storage in such a way as to enable optical design of season and load adapted collectors.This report describes two methods for estimation of solar system performance with relevance for season and load adaption. Results regarding attainable solar fractions as a function of collector features, load profiles, load levels and storage characteristics are reported. The first method uses monthly collector output data at fixed temperatures from the simulation program MINSUN for estimating solar fractions for different load profiles and load levels. The load level is defined as estimated yearly collector output at constant collector temperature divided be yearly load. This table may examplify the results:CollectorLoadLoadSolar Improvementtypeprofile levelfractionover flat plateFlat plateDHW 75 %59 %Load adaptedDHW 75 %66 %12 %Flat plateSpace heating 50 %22 %Load adaptedSpace heating 50 %28 %29 %The second method utilises simulations with one-hour timesteps for collectors connected to a simplified storage and a variable load. Collector output, optical and thermal losses, heat overproduction, load level and storage temperature are presented as functions of solar incidence angles. These data are suitable for optical design of load adapted solar collectors. Results for a Stockholm location indicate that a solar combisystem with a solar fraction around 30 % should have collectors that reduce heat production at solar heights above 30 degrees and have optimum efficiency for solar heights between 8 and 30 degrees.

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.

Mechanical and tribological properties of PVD-coated cemented carbide as evaluated by a new multi-pass scratch testing method

A new test method based on multipass scratch testing has been developed for evaluating the mechanical and tribological properties of thin, hard coatings. The proposed test method uses a pin-on-disc tribometer and during testing a Rockwell C diamond stylus is used as the “pin” and loaded against the rotating coated sample. The influence of normal load on the number of cycles to coating damage is investigated and the resulting coating damage mechanisms are evaluated by posttest scanning electron microscopy. The present study presents the test method by evaluating the performance of Ti0.86Si0.14N, Ti0.34Al0.66N, and (Al0.7Cr0.3)2O3 coatings deposited by cathodic arc evaporation on cemented carbide inserts. The results show that the test method is quick, simple, and reproducible and can preferably be used to obtain relevant data concerning the fatigue, wear, chipping, and spalling characteristics of different coating-substrate composites. The test method can be used as a virtually nondestructive test and, for example, be used to evaluate the fatigue and wear resistance as well as the cohesive and adhesive interfacial strength of coated cemented carbide inserts prior to cutting tests.

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.

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.

Comportamento de fundações superficiais apoiadas em aterros estabilizados com resíduos industriais

Neste trabalho foi estudado o comportamento de fundações superficiais apoiadas em sistema de dupla camada, quando a superior é cimentada. O estudo consistiu-se de três etapas, chamadas de Etapa de Laboratório, Etapa Numérica e Etapa de Campo. Na Etapa de Laboratório foi verificada a viabilidade técnica de utilizar os resíduos industriais cinza pesada e cal de carbureto na estabilização de um solo residual de arenito botucatu. Estudou-se a reatividade da cinza pesada com a cal de carbureto, a influência da temperatura e do tempo de cura no desenvolvimento das reações pozolânicas, a influência de diferentes teores de resíduos na resistência à compressão simples, compressão diametral e durabilidade, objetivando definir uma mistura ótima e, ainda, o impacto ambiental da utilização da mistura ótima, através de ensaios de lixiviação e solubilização. Na Etapa Numérica foi estudado, através do Método dos Elementos Finitos, o comportamento de fundações superficiais apoiadas em dupla camada. O modelo utilizado para representar o comportamento do material cimentado e não-cimentado foi o elástico-plástico com critério de ruptura de Drucker-Prager e fluxo não-associado. Verificou-se, através de análise paramétrica, a influência da espessura da camada cimentada e do diâmetro da fundação, bem como a influência dos parâmetros dos materiais cimentado e não-cimentado na resposta carga x recalque de fundações superficiais. Na Etapa de Campo foram construídos aterros experimentais utilizando a mistura ótima determinada na Etapa de Laboratório e, sobre estes aterros, foram executados provas de carga de placas. A análise dos resultados obtidos nas três etapas levou às seguintes conclusões: é possível utilizar cinza pesada e cal de carbureto para estabilizar o solo residual de botucatu; o comportamento de fundações superficiais sobre solos cimentados é controlado pela relação espessura da camada cimentada diâmetro da fundação; os parâmetros ângulo de atrito e módulo de elasticidade da camada cimentada não influenciam os resultados de prova de carga; a ruptura da fundação é função de dois mecanismos progressivos, os quais são função das tensões de tração geradas na parte inferior da camada cimentada e das tensões cisalhantes existentes logo abaixo das bordas da fundação.

Técnicas de avaliação da confiabilidade em estruturas de concreto armado

Neste trabalho é dado ênfase à inclusão das incertezas na avaliação do comportamento estrutural, objetivando uma melhor representação das características do sistema e uma quantificação do significado destas incertezas no projeto. São feitas comparações entre as técnicas clássicas existentes de análise de confiabilidade, tais como FORM, Simulação Direta Monte Carlo (MC) e Simulação Monte Carlo com Amostragem por Importância Adaptativa (MCIS), e os métodos aproximados da Superfície de Resposta( RS) e de Redes Neurais Artificiais(ANN). Quando possível, as comparações são feitas salientando- se as vantagens e inconvenientes do uso de uma ou de outra técnica em problemas com complexidades crescentes. São analisadas desde formulações com funções de estado limite explícitas até formulações implícitas com variabilidade espacial de carregamento e propriedades dos materiais, incluindo campos estocásticos. É tratado, em especial, o problema da análise da confiabilidade de estruturas de concreto armado incluindo o efeito da variabilidade espacial de suas propriedades. Para tanto é proposto um modelo de elementos finitos para a representação do concreto armado que incorpora as principais características observadas neste material. Também foi desenvolvido um modelo para a geração de campos estocásticos multidimensionais não Gaussianos para as propriedades do material e que é independente da malha de elementos finitos, assim como implementadas técnicas para aceleração das avaliações estruturais presentes em qualquer das técnicas empregadas. Para o tratamento da confiabilidade através da técnica da Superfície de Resposta, o algoritmo desenvolvido por Rajashekhar et al(1993) foi implementado. Já para o tratamento através de Redes Neurais Artificias, foram desenvolvidos alguns códigos para a simulação de redes percéptron multicamada e redes com função de base radial e então implementados no algoritmo de avaliação de confiabilidade desenvolvido por Shao et al(1997). Em geral, observou-se que as técnicas de simulação tem desempenho bastante baixo em problemas mais complexos, sobressaindo-se a técnica de primeira ordem FORM e as técnicas aproximadas da Superfície de Resposta e de Redes Neurais Artificiais, embora com precisão prejudicada devido às aproximações presentes.

EFFECT of DIFFERENT SOLID AMOUNTS IN THE PHYSICAL and MICROSCOPICAL PROPERTIES of SiC POROUS CERAMICS

The presence of pores in ceramics is directly related to the chosen forming process. So, in the starch consolidation method, the ceramics show, after burning, pores with morphology similar to that presented by this organic material. on the other hand, the increase in solid load leads up to alterations in dispersion viscosity, increasing the thermal stresses during drying and sintering processes. In order to verify the solid percentage influence in ceramic final properties, samples were prepared with silicon carbide in different compositions using or not starch as binder agent and pore forming element. The characterization of the ceramic pieces was performed by superficial roughness measurements, porosity besides by optical and scanning electron microscopy. The results showed ceramics with SiC and starch presented physical and microscopic properties slightly higher in relation to those with only ceramic powder in their composition. The presence of organic material, agglomerated and foam during the forming were essential for the final properties of the studied samples.

Simulação de reservatórios não convencionais para armazenamento de gás natural veicular

The investigation of viability to use containers for Natural Gas Vehicle (NGV) storage, with different geometries of commercial standards, come from necessity to join the ambient, financial and technological benefits offered by the gas combustion, to the convenience of not modify the original proposal of the automobile. The use of these current cylindrical models for storage in the converted vehicles is justified by the excellent behavior that this geometry presents about the imposed tensions for the high pressure that the related reservoirs are submitted. However, recent research directed toward application of adsorbent materials in the natural gas reservoirs had proven a substantial redusction of pressure and, consequently, a relief of the tensions in the reservoirs. However, this study considers alternative geometries for NGV reservoirs, searching the minimization of dimensions and weight, remaining capacity to resist the tensions imposed by the new pressure situation. The proposed reservoirs parameters are calculated through a mathematical study of the internal pressure according to Brazilian standards (NBR) for pressure vessels. Finally simulations of the new geometries behavior are carried through using a commercially avaible Finite Element Method (FEM) software package ALGOR® to verify of the reservoirs efficincy under the gas pressure load