A Numerical Study of the Flow Fields in a Highly Off-Design Variable Geometry Turbine

Conventionally, radial turbines have almost exclusively used radially fibred blades. While issues of mechanical integrity are paramount, there may be opportunities for improving turbine efficiency through a 3D blade design without exceeding mechanical limits. Off-design performance and understanding of the secondary flow structures now plays a vital role in the design decisions made for automotive turbocharger turbines. Of particular interest is extracting more energy at high pressure ratios and lower rotational speeds. Operating in this region means the rotor will experience high values of positive incidence at the inlet. A CFD analysis has been carried out on a scaled automotive turbine utilizing a swing vane stator system. To date no open literature exists on the flow structures present in a standard VGT system. Investigations were carried out on a 90 mm diameter rotor with the stator vane at the maximum, minimum and 25% mass flow rate positions. In addition stator vane endwall clearance existed at the hub side. From investigation of the internal flow fields of the baseline rotor, a number of areas that could be optimized in the future with three dimensional blading were identified. The blade loading and tip leakage flow near inlet play a significant role in the flow development further downstream at all stator vane positions. It was found that tip leakage flow and flow separation at off-design conditions could be reduced by employing back swept blading and redistributing the blade loading. This could potentially reduce the extent of the secondary flow structures found in the present study.

An Evaluation of Vaneless Diffuser Modelling Methods as a Means of Improving the Off-Design Performance Prediction of Centrifugal Compressors

An evaluation of existing 1-D vaneless diffuser design tools in the context of improving the off-design performance prediction of automotive turbocharger centrifugal compressors is described. A combination of extensive gas stand test data and single passage CFD simulations have been employed in order to permit evaluation of the different methods, allowing conclusions about the relative benefits and deficiencies of each of the different approaches to be determined. The vaneless diffuser itself has been isolated from the incumbent limitations in the accuracy of 1-D impeller modelling tools through development of a method to fully specify impeller exit conditions (in terms of mean quantities) using only standard test stand data with additional interstage static pressure measurements at the entrance to the diffuser. This method allowed a direct comparison between the test data and 1-D methods through sharing common inputs, thus achieving the aim of diffuser isolation.

Crucial to the accuracy of determining the performance of each of the vaneless diffuser configurations was the ability to quantify the presence and extent of the spanwise aerodynamic blockage present at the diffuser inlet section. A method to evaluate this critical parameter using CFD data is described herein, along with a correlation for blockage related to a new diffuser inlet flow parameter ⚡, equal to the quotient of the local flow coefficient and impeller tip speed Mach number. The resulting correlation permitted the variation of blockage with operating condition to be captured.

Labelled 15NO study on N2 and N2O formation over Pt-Ba/Al2O3 LNT catalysts

Modelling and visualisation of material flow in friction stir spot welding

Abstract The material flow in friction stir spot welding of aluminium to both aluminium and steel has been investigated, using pinless tools in a lap joint geometry. The flow behaviour was revealed experimentally using dissimilar Al alloys of similar strength. The effect on the material flow of tool surface features, welding conditions (rotation speed, plunge depth, dwell time), and the surface state of the steel sheet (un-coated or galvanized) have been systematically studied. A novel kinematic flow model is presented, which successfully predicts the observed layering of the dissimilar Al alloys under a range of conditions. The model and the experimental observations provide a consistent interpretation of the stick-slip conditions at the tool-workpiece interface, addressing an elusive and long-standing issue in the modelling of heat generation in friction stir processing.

Modelling the nonlinear behaviour and fracture process of AS4/PEKK thermoplastic composite under shear loading

The accurate determination of non-linear shear behaviour and fracture toughness of continuous carbon-fibre/polymer composites remains a considerable challenge. These measurements are often necessary to generate material parameters for advanced computational damage models. In particular, there is a dearth of detailed shear fracture toughness characterisation for thermoplastic composites which are increasingly generating renewed interest within the aerospace and automotive sectors. In this work, carbon fibre (AS4)/ thermoplastic Polyetherketoneketone (PEKK) composite V-notched cross-ply specimens were manufactured to investigate their non-linear response under pure shear loading. Both monotonic and cyclic loading were applied to study the shear modulus degradation and progressive failure. For the first time in the reported literature, we use the essential work of fracture approach to measure the shear fracture toughness of continuous fibre reinforced composite laminates. Excellent geometric similarity in the load-displacement curves was observed for ligament-scaled specimens. The laminate fracture toughness was determined by linear regression, of the specific work of fracture values, to zero ligament thickness, and verified with computational models. The matrix intralaminar fracture toughness (ply level fracture toughness), associated with shear loading was determined by the area method. This paper also details the numerical implementation of a new three-dimensional phenomenological model for carbon fibre thermoplastic composites using the measured values, which is able to accurately represent the full non-linear mechanical response and fracture process. The constitutive model includes a new non-linear shear profile, shear modulus degradation and load reversal. It is combined with a smeared crack model for representing ply-level damage initiation and propagation. The model is shown to accurately predict the constitutive response in terms of permanent plastic strain, degraded modulus as well as load reversal. Predictions are also shown to compare favourably with the evolution of damage leading to final fracture.

Predicting impact damage, residual strength and crashworthiness of composite structures

The development of the latest generation of wide-body carbon-fibre composite passenger aircraft has heralded a new era in the utilisation of these materials. The premise of superior specific strength and stiffness, corrosion and fatigue resistance, is tempered by high development costs, slow production rates and lengthy and expensive certification programmes. Substantial effort is currently being directed towards the development of new modelling and simulation tools, at all levels of the development cycle, to mitigate these shortcomings. One of the primary challenges is to reduce the extent of physical testing, in the certification process, by adopting a ‘certification by simulation’ approach. In essence, this aspirational objective requires the ability to reliably predict the evolution and progression of damage in composites. The aerospace industry has been at the forefront of developing advanced composites modelling tools. As the automotive industry transitions towards the increased use of composites in mass-produced vehicles, similar challenges in the modelling of composites will need to be addressed, particularly in the reliable prediction of crashworthiness. While thermoset composites have dominated the aerospace industry, thermoplastics composites are likely to emerge as the preferred solution for meeting the high-volume production demands of passenger road vehicles. This keynote presentation will outline recent progress and current challenges in the development of finite-element-based predictive modelling tools for capturing impact damage, residual strength and energy absorption capacity of thermoset and thermoplastic composites for crashworthiness assessments.

Selection of the most appropriate roadside vehicle restraint system – the SAVeRS project

Run Off Road (ROR) crashes are road accidents that often result in severe injuries or fatalities. To reduce the severity of ROR crashes, “forgiving roadsides” need to be designed and this includes identifying situations where there is a need for a Vehicle Restraint System (VRS) and what appropriate VRS should be selected for a specific location and traffic condition. Whilst there are standards covering testing, evaluation and classification of VRS within Europe (EN1317 parts 1 to 8), their selection, location and installation requirements are typically based upon national guidelines and standards, often produced by National Road Authorities (NRA) and/or overseeing organisations. Due to local conditions, these national guidelines vary across Europe.
The European SAVeRS project funded by CEDR has developed a practical and readily understandable VRS guidance document and a user-friendly software tool which allow designers and road administrations to select the most appropriate solution in different road and traffic conditions.
This paper describes the main outcomes of the project, the process to select the most appropriate roadside barrier, and the user friendly SAVeRS tool.

Manufacturing System Simulation & Human Robot Interaction in VR:Manufacturing system simulation: Methodologies, software tools, case study in transportation design

Virtual Reality techniques are relatively new, having experienced significant development only during the last few years, in accordance with the progress achieved by computer science and hardware and software technologies. The study of such advanced design systems has led to the realization of an immersive environment in which new procedures for the evaluation of product prototypes, ergonomics and manufacturing operations have been simulated. The application of the environment realized to robotics, ergonomics, plant simulations and maintainability verifications has allowed us to highlight the advantages offered by a design methodology: the possibility of working on the industrial product in the first phase of conception; of placing the designer in front of the virtual reproduction of the product in a realistic way; and of interacting with the same concept. The aim of this book is to present an updated vision of VM through different aspects. We will describe the trends and results achieved in the automotive, aerospace and railway fields, in terms of the Digital Product Creation Process to design the product and the manufacturing process.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Manutenção produtiva total: implementação na Simoldes Plásticos, SA

O presente trabalho descreve um projeto de implementação da metodologia de Manutenção Produtiva Total (TPM) desenvolvido na Simoldes Plásticos, unidade industrial de injeção de plásticos que opera no setor automóvel. A metodologia TPM salienta o papel fundamental que o trabalho em equipa e, em particular, a participação do pessoal, podem desempenhar na identificação de oportunidades de melhoria e na sua implementação. A sua aplicação visa a diminuição dos desperdícios, acidentes, defeitos, paragens e falhas ao longo de um processo produtivo. De uma forma geral, a TPM utiliza uma ideia base elementar que passa pela sensibilização, formação e treino dos operadores para que estes consigam realizar a manutenção autónoma dos equipamentos e melhorar continuamente o seu desempenho. Este trabalho apresenta em primeiro lugar uma revisão dos conceitos de Gestão da Qualidade Total, particularmente da Melhoria Contínua e da Metodologia TPM. De seguida, é descrita a aplicação da TPM na empresa Simoldes Plásticos, que inclui uma descrição dos principais problemas encontrados e das medidas aplicadas para a sua correção. Finalmente é feita uma análise do impacto das melhorias implementadas, a partir da análise de um indicador de eficiência específico, desenvolvido na empresa - o RUTPM - Rendimento de Utilização TPM.

Caracterização experimental e modelação numérica de espumas metálicas

As espumas de alumínio são materiais ultraleves, o que as torna atractivas para um largo espectro de aplicações comerciais na área da defesa, na indústria automóvel e aeroespacial, entre outras. Actualmente, há um grande interesse na utilização de espumas de alumínio em componentes estruturais ultraleves, incorporados em sistemas de absorção de energia para protecção contra o impacto. O recurso à simulação numérica para resolver problemas de engenharia em várias áreas é cada vez mais comum. A modelação numérica dos materiais assume vital importância quando o problema envolve a análise de processos tecnológicos como, por exemplo, a conformação plástica de materiais, ou a análise de estruturas. Deste modo, torna-se imprescindível garantir que a modelação dos materiais é de tal forma rigorosa que permite simular o melhor possível o seu comportamento real nas condições concretas da análise a realizar. A forma mais comum de garantir o rigor dos modelos utilizados é a validação dos modelos numéricos tendo por base resultados experimentais. Neste trabalho, fez-se a caracterização do comportamento mecânico das espumas de alumínio com nome comercial ALPORAS!, obtidas pelo processo de fabrico denominado expansão directa do metal fundido por adição de um agente expansor. Esta caracterização consistiu num conjunto de ensaios experimentais quer no regime quasi-estático, quer no regime dinâmico. No regime quasi-estático realizaram-se ensaios de compressão uniaxial e de compressão multiaxial. Para a caracterização no regime dinâmico foram realizados ensaios em barras de Hopkinson de polimetil-metacrilato (PMMA). Com base nos resultados experimentais obtidos determinaram-se os parâmetros dos dois modelos constitutivos para espumas metálicas implementados no programa comercial Abaqus™/Explicit. Estes modelos, e os respectivos parâmetros determinados, foram validados reproduzindo numericamente alguns ensaios experimentais quasi-estáticos e dinâmicos. Assim, verificou-se a adequabilidade dos modelos em diversas condições quer em termos de esforços quer em termos de regime de taxa de deformação Por último, desenvolveu-se uma estrutura inovadora para absorção de energia durante um impacto, constituída por componentes perfilados em liga de alumínio e por componentes em espumas de alumínio. Esta estrutura foi testada exclusivamente com recurso à simulação numérica, utilizando os modelos constitutivos validados anteriormente.

Asymmetric rolling of 5182 aluminium alloy and interstitial free steel sheets

This Ph.D. research focuses on asymmetric rolling (ASR), as an alternative method for improving mechanical responses of aluminium-magnesium alloy and interstitial free (IF) steel regarding industrial requirements. Aluminium alloys are attractive materials in various industries due to their appropriate properties such as low density and corrosion resistance; however, their low formability has limited their applications. As formability of aluminium alloys can be improved through texture development, part of this dissertation is dedicated to producing the desired crystallographic texture with the ASR process. Two types of ASR (i.e. reverse and continuous asymmetric rolling) were investigated. The impact of shear deformation imposed by ASR processes on developing the desirable texture and consequently on mechanical behaviours was observed. The developed shear texture increased the normal and also planar anisotropy. Texture evolution during plastic deformation as well as induced mechanical behaviour were simulated using the “self-consistent” and Taylor models. Interstitial free (IF) steel was the second material selected in this dissertation. Since IF steel is one of the most often used materials in automotive industries it was chosen to investigate the effect of shear deformation through ASR on its properties. Two types of reverse and continuous asymmetric rolling were carried out to deform IF steel sheets. The results of optical microscopy and atomic force microscopy observations showed no significant difference between the grains’ morphology of asymmetric and conventionally rolled samples, whereas the obtained results of transmission electron microscopy indicated that fine and equiaxed dislocation cells were formed through the asymmetric rolling process. This structure is due to imposed shear deformation during the ASR process. Furthermore, the mechanical behaviour of deformed and annealed sheets was evaluated through uniaxial tensile tests. Results showed that at low thickness reductions (18%) the asymmetric rolled sample presented higher stress than that of the conventionally rolled sheet; while for higher thickness reductions (60%) the trend was reversed. The texture analyses indicated that intense rolling texture components which developed through 60% thickness reduction of conventional rolling cause a relatively higher stress; on the contrary the fine structure resulting from ASR appears to be the source of higher stress observed after pre-deformation of 18%.

Desenvolvimento de um carro elétrico puro: instrumentação e registos energéticos

Desde meados do século XX os avanços na indústria automóvel trazem a associação da eletrónica sendo esta cada vez mais necessária. Com este trabalho pretende-se construir um computador de bordo de um veículo elétrico dando continuação a uma dissertação anterior, que consistiu em um Controlador de Motor de carro elétrico com capacidade de travagem regenerativa. Este Computador deve ser de baixo custo e é destinado à instrumentação, apresentação de balanços energéticos e funções básicas de diagnóstico do estado do veículo. Foi igualmente um objetivo desenvolver uma Interface a partir de um LCD para este Computador de Bordo. No modelo de Controlador de Motor disponível foram aplicadas alterações e adições na instrumentação de forma a conseguir um diagnóstico do veículo mais preciso e extenso. Para o computador ter conhecimento do consumo e outros parâmetros relacionados com o motor e respetivo Controlador, foi necessário estabelecer uma comunicação entre ambas unidades. Antes de se implementar um protocolo de comunicação realizou-se uma pesquisa por protocolos usados na indústria automóvel, com o intuito de saber qual o mais apropriado para o presente trabalho. A tarefa seguinte consistiu em uma pesquisa por hardware com o qual desenvolver o Computador e sua Interface. Os balanços energéticos implicaram o desenvolvimento de métodos de cálculo, efetuados com os parâmetros transmitidos pelo Controlador de Motor. No final da dissertação demonstra-se todas as funcionalidades do Computador de Bordo desenvolvido e como este é utilizado.

Optimised search heuristics: combining metaheuristics and exact methods to solve scheduling problems

Tese dout., Matemática, Investigação Operacional, Universidade do Algarve, 2009