Estudo de Ferramentas FEA Comerciais na Simulação Numérica de Processos de Conformação de Chapas Metálicas. Aplicação à Indústria Automóvel.

Os componentes obtidos através da conformação plástica de chapas têm uma grande importância, tanto na etapa de concepção do produto como na etapa de produção na indústria automóvel. Isto comprova-se pelo facto de, em média, cada automóvel integrar cerca de 500 componentes estampados para construir o chassis e a carroçaria [Alves 2003]. Deste total de componentes, 50 são de grandes dimensões (portas, tejadilho, painéis inferior e laterais, entre outros) e necessitam, em média, de cinco ferramentas para o seu fabrico, sendo o custo estimado para cada ferramenta de 230 000 € [Col 2000, Alves 2003]. Para além da indústria automóvel, a conformação plástica de chapas metálicas é um processo tecnológico presente nas indústrias relativas à aeroespacial, petrolífera, decoração, alimentar, entre outras. Do ponto de vista do enquadramento económico, cerca de 20% do custo total de um automóvel novo é devido à incorporação de componentes metálicos estampados. [Alves 2003]. A pressão do “Mercado Global” faz com que os custos relativos à matéria-prima, energia e mão-de-obra sejam uma constante em termos de redução do seu impacte no orçamento das empresas fornecedoras destes produtos. É neste contexto que surge a necessidade da realização deste estudo de Benchmark de Softwares, tornando-se bastante importante, quer ao nível da competitividade industrial, quer ao nível da inovação para novos produtos. A análise por elementos finitos desempenha um papel primordial no tryout virtual e otimização das ferramentas e processos de conformação plástica. Os objetivos principais deste estudo de simulação numérica são a identificação e comparação dos resultados obtidos pelo AUTOFORM e pelo PAMSTAMP, para cada uma das variáveis identificadas como as mais influentes na robustez dos processos de estampagem de chapa metálica. Estas variáveis identificadas são: consumo de material (Draw-in) após conformação; forças de conformação; valores de variação de espessura e dos valores de extensão e resultados de Springback. Os resultados obtidos são comparados com os resultados experimentais e, desta forma, avalia-se a capacidade inovadora e a eficácia de cada um dos softwares, obtendo-se assim, uma orientação mais real para o software mais indicado aos objetivos impostos pela indústria automóvel. Para este efeito, a indústria automóvel, como maior impulsionador e motor da investigação na área da simulação numérica aplicada aos processos de estampagem, tem aderido em peso ao Benchmarking. Um exemplo disto, é o que acontece nas conferências Numisheet. O Benchmark #2 da conferência Numisheet 2008 é analisado pormenorizadamente e os resultados numéricos e experimentais são comparados e apresentados. Dois materiais distintos (aço HC260LAD e liga de alumínio AC170), assim como três modelos com geometrias diferentes (com e sem freios) são apresentados neste relatório. Com vista à redução dos ciclos tentativa-erro, tem-se adotado ciclos virtuais ou numéricos e tem-se incrementado a interatividade entre as fases de concepção e projeto, num conceito muito próprio, mas cada vez mais abrangente, denominado “produção virtual”. É nesta filosofia que se insere a simulação numérica dos processos de conformação de chapa.

Avaliação numérica e experimental da carga admissível de vigas compostas para monocarris de sistemas de elevação

Este trabalho foi realizado com o apoio, e em colaboração da empresa Flexcrane, que constrói e comercializa soluções flexíveis de pontes rolantes para cargas ligeiras. Com cargas máximas de 2 toneladas estas pontes e seus caminhos de rolamento são construídas essencialmente enformados a frio. O objetivo deste trabalho é a verificação numérica e experimental das cargas que este tipo de estrutura suporta, nas suas diferentes configurações. Numa aproximação por engenharia inversa, com a realização deste trabalho, foi possível determinar a carga admissível das vigas compostas utilizadas, assim como o seu comportamento quando em carga. Para obtenção destes resultados foram realizadas simulações computacionais recorrendo ao método de elementos finitos, utilizando para isso o software Ansys Workbench e ainda ensaios experimentais que permitiram validar os resultados obtidos numericamente e consolidar o conhecimento sobre o comportamento desta solução comercial. Por ser de construção modular, são possíveis diferentes combinações para o produto final, por esta razão foram estudados numericamente diferentes configurações possíveis, com e sem reforços. Foi realizada a validação experimental para a configuração mais usual, fazendo recurso a um dispositivo para ensaio de estruturas e componentes, pertencente ao Isep. Foi ainda utilizada a técnica extensométrica para avaliar as tensões em pontos selecionados e compara-los com os obtidos numericamente. Concluiu-se pelo ótimo desempenho dos produtos Flexcrane.

Criação de programa informático em ambiente Matlab® para estudo de estruturas planas pelo Método de Elementos Finitos.

Os modelos a ser analisados pelo Método de Elementos Finitos são cada vez mais complexos e, nos tempos que correm, seria impensável realizar tais análises sem um apoio computorizado. 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. Sob o pretexto de permitir a qualquer utilizador uma análise de estruturas simples com o Método dos Elementos Finitos, surge esta tese, onde se irá criar de raiz um programa com interface gráfica no ambiente MATLAB® para análise de estruturas simples com dois tipos de elemento finito, triangular de deformação constante e quadrangular de deformação linear. O software desenvolvido, verificado por comparação com um software comercial dedicado para o efeito, efetua malhagem com elementos bidimensionais triangulares e quadriláteros e resolve modelos arbitrados pelo Método de Elementos Finitos, representando estes resultados visualmente e em formato tabular.

Projeto mecânico de equipamento para fabrico automatizado de vestuário

O fabrico de vestuário é uma atividade que se desenvolve em Portugal há várias décadas. Existem marcas de vestuário com reconhecimento a nível mundial que são de origem portuguesa. Para se conseguir qualidade é necessário inovar e automatizar determinados processos, de forma a aumentar produtividades e reduzir erros devido à mão de obra de tarefas intensivas. Na empresa Portuguesa Henrique Camões, com uma vasta experiência ligada a equipamentos de fabrico têxtil, nasceu a ideia de projetar um protótipo de um equipamento automatizado para o fabrico de colarinhos e punhos, com a finalidade de verificar a sua viabilidade a nível funcional. Este trabalho teve assim por base a necessidade de efetuar um projeto sobre um equipamento capaz de costurar e cortar colarinhos e punhos, a serem aplicados em peças de vestuário. Inicialmente foi efetuado um estudo prévio de levantamento de equipamentos já existentes para fins semelhantes. Foi então necessário idealizar um equipamento capaz de responder às expectativas e exigências por parte do cliente. Após os esboços iniciais, onde foram definidos os tipos de mecanismos e formas de funcionamento dos diferentes sistemas em função dos movimentos e ações pretendidas e a estrutura do equipamento, estes sistemas foram otimizados por forma a se obter como resultado final um equipamento funcional. Foi também projetado o esquema pneumático e Grafcet de funcionamento do equipamento. Como auxiliares do projeto, apresentam-se a lista de componentes e de processos de fabrico, bem como os desenhos de pormenor de todos os componentes integrantes da estrutura. O resultado final é um conjunto de ideias e soluções possíveis de aplicar num equipamento deste tipo. De facto, a solução proposta é uma possibilidade viável para um equipamento automatizado para costura e corte de colarinhos e punhos.

Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

An application of reliability-based robustness assessment of steel moment resisting frame structures under post-mainshock cascading events

The paper presented herein proposes a reliability-based framework for quantifying the structural robustness considering the occurrence of a major earthquake (mainshock) and subsequent cascading hazard events, such as aftershocks that are triggered by the mainshock. These events can significantly increase the probability of failure of buildings, especially for structures that are damaged during the mainshock. The application of the proposed framework is exemplified through three numerical case studies. The case studies correspond to three SAC steel moment frame buildings of 3-, 9-, and 20- stories, which were designed to pre-Northridge codes and standards. Twodimensional nonlinear finite element models of the buildings are developed using the Open System for Earthquake Engineering Simulation framework (OpenSees), using a finite-length plastic hinge beam model and a bilinear constitutive law with deterioration, and are subjected to multiple mainshock-aftershock seismic sequences. For the three buildings analyzed herein, it is shown that the structural reliability under a single seismic event can be significantly different from that under a sequence of seismic events. The reliability-based robustness indicator used shows that the structural robustness is influenced by the extent by which a structure can distribute damage.

Identificação modal e actualização de modelos de elementos finitos

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Perfil Estruturas

Optimisation and design of post-tensioning anchorage corner blisters in concrete box girder bidges

The design of anchorage blisters of internal continuity post-tensioning tendons of bridges built by the cantilever method, presents some peculiarities, not only because they are intermediate anchorages but also because these anchorages are located in blisters, so the prestressing force has to be transferred from the blister the bottom slab and web of the girder. The high density of steel reinforcement in anchorage blisters is the most common reason for problems with concrete cast in situ, resulting in zones with low concrete compacity, leading to concrete crushing failures under the anchor plates. A solution may involve improving the concrete compression and tensile strength. To meet these requirements a high-performance fibre reinforced self-compacting mix- ture (HPFRC) was used in anchorage corner blisters of post-tensioning tendons, reducing the concrete cross-section and decreasing the reinforcement needed. To assess the ultimate capacity and the adequate serviceability of the local anchorage zone after reducing the minimum concrete cross-section and the confining reinforcement, specified by the anchorage device supplier for the particular tendon, load transfer tests were performed. To investigate the behaviour of anchorage blisters regarding the transmission of stresses to the web and the bottom slab of the girder, and the feasibility of using high performance concrete only in the blister, two half scale models of the inferior corner of a box girder existing bridge were studied: a reference specimen of ordinary reinforced concrete and a HPFRC blister specimen. The design of the reinforcement was based in the tensile forces obtained on strut-and-tie models. An experimental program was carried out to assess the models used in design and to study the feasibility of using high performance concrete only in the blister, either with casting in situ, or with precast solutions. A non-linear finite element analysis of the tested specimens was also performed and the results compared.

Electro-Optical/Infrared sensor turret integration on an aircraft - structural im-pact on LOCKHEED MARTIN C-130H and design methodology

The growing need to patrol and survey large maritime and terrestrial areas increased the need to integrate external sensors on aircraft in order to accomplish those patrols at increasingly higher altitudes, longer range and not depending upon vehicle type. The main focus of this work is to elaborate a practical, simple, effective and efficient methodology for the aircraft modification procedure resulting from the integration of an Elec-tro-Optical/Infra-Red (EO/IR) turret through a support structure. The importance of the devel-opment of a good methodology relies on the correct management of project variables as time, available resources and project complexity. The key is to deliver a proper tool for a project de-sign team that will be used to create a solution that fulfils all technical, non-technical and certi-fication requirements present in this field of transportation. The created methodology is inde-pendent of two main inputs: sensor model and aircraft model definition, and therefore it is in-tended to deliver the results for different projects besides the one that was presented in this work as a case study. This particular case study presents the development of a structure support for FLIR STAR SAPHIRE III turret integration on the front lower fuselage bulkhead (radome) of the LOCKHEED MARTIN C-130 H. Development of the case study focuses on the study of local structural analysis through the use of Finite Element Method (FEM). Development of this Dissertation resulted in a cooperation between Faculty of Science and Technology - Universidade Nova de Lisboa and the company OGMA - Indústria Aeronáutica de Portugal

Damage propagation in composite Materials meso-mechanical models

Composite materials have a complex behavior, which is difficult to predict under different types of loads. In the course of this dissertation a methodology was developed to predict failure and damage propagation of composite material specimens. This methodology uses finite element numerical models created with Ansys and Matlab softwares. The methodology is able to perform an incremental-iterative analysis, which increases, gradually, the load applied to the specimen. Several structural failure phenomena are considered, such as fiber and/or matrix failure, delamination or shear plasticity. Failure criteria based on element stresses were implemented and a procedure to reduce the stiffness of the failed elements was prepared. The material used in this dissertation consist of a spread tow carbon fabric with a 0°/90° arrangement and the main numerical model analyzed is a 26-plies specimen under compression loads. Numerical results were compared with the results of specimens tested experimentally, whose mechanical properties are unknown, knowing only the geometry of the specimen. The material properties of the numerical model were adjusted in the course of this dissertation, in order to find the lowest difference between the numerical and experimental results with an error lower than 5% (it was performed the numerical model identification based on the experimental results).

Fatigue life assessment of endodontic instruments subjected to multi planar curvature

This present study aimed to investigate the fatigue life of unused (new) endodontic instruments made of NiTi with control memory by Coltene™ and subjected to the multi curvature of a mandibular first molar root canal. Additionally, the instrument‟s structural behaviour was analysed through non-linear finite element analysis (FEA). The fatigue life of twelve Hyflex™ CM files was assessed while were forced to adopt a stance with multiple radius of curvature, similar to the ones usually found in a mandibular first molar root canal; nine of them were subjected to Pecking motion, a relative movement of axial type. To achieve this, it was designed an experimental setup with the aim of timing the instruments until fracture while worked inside a stainless steel mandibular first molar model with relative axial motion to simulate the pecking motion. Additionally, the model‟s root canal multi-curvature was confirmed by radiography. The non-linear finite element analysis was conducted using the computer aided design software package SolidWorks™ Simulation, in order to define the imposed displacement required by the FEA, it was necessary to model an endodontic instrument with simplified geometry using SolidWorks™ and subsequently analyse the geometry of the root canal CAD model. The experimental results shown that the instruments subjected to pecking motion displayed higher fatigue life values and higher lengths of fractured tips than those with only rotational relative movement. The finite element non-linear analyses shown, for identical conditions, maximum values for the first principal stress lower than the yield strength of the material and those were located in similar positions to the instrument‟s fracture location determined by the experimental testing results.

The influence of fibre orientation on the post-cracking tensile behaviour of steel fibre reinforced self-compacting concrete

Adding fibres to concrete provides several advantages, especially in terms of controlling the crack opening width and propagation after the cracking onset. However, distribution and orientation of the fibres toward the active crack plane are significantly important in order to maximize its benefits. Therefore, in this study, the effect of the fibre distribution and orientation on the post-cracking tensile behaviour of the steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) specimens is investigated. For this purpose, several cores were extracted from distinct locations of a panel and were subjected to indirect (splitting) and direct tensile tests. The local stress-crack opening relationship (σ-w) was obtained by modelling the splitting tensile test under the finite element framework and by performing an Inverse Analysis (IA) procedure. Afterwards the σ-w law obtained from IA is then compared with the one ascertained directly from the uniaxial tensile tests. Finally, the fibre distribution/orientation parameters were determined adopting an image analysis technique.

Numerical simulation of galvanized rebars pullout

The usage of rebars in construction is the most common method for reinforcing plain concrete and thus bridging the tensile stresses along the concrete crack surfaces. Usually design codes for modelling the bond behaviour of rebars and concrete suggest a local bond stress – slip relationship that comprises distinct reinforcement mechanisms, such as adhesion, friction and mechanical anchorage. In this work, numerical simulations of pullout tests were performed using the finite element method framework. The interaction between rebar and concrete was modelled using cohesive elements. Distinct local bond laws were used and compared with ones proposed by the Model Code 2010. Finally an attempt was made to model the geometry of the rebar ribs in conjunction with a material damaged plasticity model for concrete.