Determinação por ultrassom de constantes elásticas de pastilhas de alumina utilizadas em varetas combustíveis de reatores nucleares.

Pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são empregadas como combustível nos reatores nucleares de potência, onde as condições operacionais introduzem elevados gradientes térmicos nas pastilhas. Potências elevadas propiciam a fusão da parte central das pastilhas. O inchamento das pastilhas de dióxido de urânio (UO2), decorrente dos produtos de fissão, pode causar o trincamento do material, em função disso, o estudo do seu comportamento mecânico é importante. Esse trabalho avaliou a aplicação de método ultrassônico na obtenção de constantes elásticas. Em função das dificuldades no manuseio do material nuclear, optou-se por um estudo comparativo em pastilhas de alumina (Al2O3). Foram fabricados e usados dois conjuntos de 10 pastilhas de Al2O3 com densidades de 92% e 96%. Foi desenvolvida técnica ultrassônica por transmissão obtendo medidas do tempo de percurso de ondas ultrassônicas, longitudinais e transversais, usadas para a determinação das constantes elásticas do material. Equações relacionando a velocidade da onda ultrassônica ao módulo de elasticidade, módulo de cisalhamento e coeficiente de Poisson, permitiram obter essas constantes elásticas, que apresentaram excelente concordância com a literatura disponível para o Al2O3.

Desenvolvimento e implementação de algoritmo para análise de dutos fabricados ou reparados com material compósito carregados com pressão interna utilizando o método dos elementos finitos.

A integridade de dutos ganha importância à medida em que o desenvolvimento da indústria expande a malha para transportar líquidos e gases num contexto de aumento das exigências ambientais. Um importante aliado para manutenção da integridade de dutos são reparos de materiais compósitos. Estes materiais apresentam baixa densidade, capacidade de direcionar resistência de acordo com as direções das solicitações, execução de reparo a frio sem necessidade de interromper produção ou grande maquinário. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de elementos finitos que permita avaliar os esforços e a resistência das paredes de um tubos fabricados ou reparados com laminados de material compósito carregados com pressão interna. Entre as vantagens de desenvolver um programa tem-se: agilidade de avaliação, menor custo com licença, menores exigências computacionais, possibilidade de desenvolver o programa e o melhor entendimento da modelagem dos fenômenos. Utiliza-se como entrada do programa o diâmetro do duto, pressão interna e parâmetros do laminado. A modelagem em elementos finitos é realizada a partir da teoria clássica de laminados. Aplicando o carregamento resultante da pressão interna, determina-se os deslocamentos e são calculadas as tensões e aplicado o critério de falha de Tsai-Hill em cada camada. Estudos experimentais e numéricos encontrados na literatura foram simulados com o programa gerado e os resultados para propriedades do laminado, tensões nos dutos e pressão de ruptura apresentam concordância com os resultados da literatura.O programa ainda tem sua estrutura modificada para encontrar a pressão de falha a partir dos dados do laminado. O programa implementado permite uma avaliação rápida de resistência do reparo e possibilita avaliar rapidamente a resposta a mudanças nos parâmetros de projeto do laminado.

Utilização de coletor de composto parabólico de concentração solar na indústria de asfalto.

Esta dissertação apresenta a avaliação térmica, econômica e ambiental de um sistema de aquecimento solar (SHS) que é usado em uma usina de asfalto, através de simulação computacional com TRNSYS. O processo escolhido é o aquecimento do betume a partir da temperatura de armazenamento até a temperatura de mistura, usando óleo mineral como fluido de transferência de calor (HTF). Os componentes do sistema são o trocador de calor HTF-betume, o coletor concentrador solar parabólico composto (CPC), o aquecedor auxiliar e a bomba de circulação. A simulação no TRNSYS calcula os balanços de massa e energia no circuito fechado do HTF a cada hora. Dados horários do Ano Meteorológico Típico (TMY) do Rio de Janeiro foram utilizados para executar este trabalho. Em muitos casos, a temperatura do HTF ultrapassou 238C, mostrando que o CPC é apropriado para esta aplicação. Economia de combustível e emissões evitadas foram consideradas para as análises economica e ambiental. Este trabalho descreve as fontes renováveis de energia, os tipos de usinas de asfalto e de aquecedores de betume. Ele também mostra a fração brasileira de algumas destas fontes. Os resultados, portanto, mostram ser possível encorajar políticas públicas ambientalmente corretas para incentivar o uso de energia solar na indústria de asfalto. Além disso, este trabalho pode ajudar na redução da elevada emissão dos gases de efeito estufa a partir da utilização dos combustíveis fósseis nesta indústria.

Formação de nanopadrões em superfícies por sputtering iônico: Estudo numérico da equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky.

Apresenta-se uma abordagemnumérica para ummodelo que descreve a formação de padrões por sputtering iônico na superfície de ummaterial. Esse processo é responsável pela formação de padrões inesperadamente organizados, como ondulações, nanopontos e filas hexagonais de nanoburacos. Uma análise numérica de padrões preexistentes é proposta para investigar a dinâmica na superfície, baseada em ummodelo resumido em uma equação anisotrópica amortecida de Kuramoto-Sivashinsky, em uma superfície bidimensional com condições de contorno periódicas. Apesar de determinística, seu caráter altamente não-linear fornece uma rica gama de resultados, sendo possível descrever acuradamente diferentes padrões. Umesquema semi implícito de diferenças finitas com fatoração no tempo é aplicado na discretização da equação governante. Simulações foram realizadas com coeficientes realísticos relacionados aos parâmetros físicos (anisotropias, orientação do feixe, difusão). A estabilidade do esquema numérico foi analisada por testes de passo de tempo e espaçamento de malha, enquanto a verificação do mesmo foi realizada pelo Método das Soluções Manufaturadas. Ondulações e padrões hexagonais foram obtidos a partir de condições iniciais monomodais para determinados valores do coeficiente de amortecimento, enquanto caos espaço-temporal apareceu para valores inferiores. Os efeitos anisotrópicos na formação de padrões foramestudados, variando o ângulo de incidência.

Medida de porosidade em SiC através de processamento digital de imagens.

Esforços constantes de pesquisa têm sido conduzidos na seleção de materiais, combinando propriedades de interesse (mecânicas, químicas, elétricas ou térmicas), versatilidade de uso, tempo de vida útil elevado e baixo custo de produção. A busca por materiais de elevado desempenho mecânico despertou grande interesse na pesquisa e desenvolvimento dos cerâmicos avançados com aplicações estruturais e funcionais, como o carbeto de silício. Entretanto, a porosidade ainda é vista como fator limitador do alto desempenho destes materiais visto que, acima de determinada porcentagem, reduz largamente sua resistência mecânica. Seu controle atualmente é realizado através de técnicas de alto custo, com a utilização de tomógrafos. Este trabalho buscou validar uma nova técnica, onde a porosidade foi avaliada através de processamento digital de imagens de microscopia ótica do material previamente lixado e polido em diversas profundidades, com controle dos parâmetros de lixamento e polimento. Esta nova metodologia mostrou-se apropriada e menos dispendiosa para a quantificação da porosidade do carbeto de silício, tendo sido validada para o estudo deste material.

Caracterização microestrutural e análise de tensões residuais pelo método do furo cego em tubo de seção quadrada com costura.

Tensões residuais são uma das principais causas de falhas em componentes mecânicos submetidos a processos de fabricação. O objetivo do trabalho foi medir as tensões residuais presentes em um tubo quadrado soldado por resistência elétrica de alta frequência e caracterizar microestruturalmente o seu material. Para a caracterização, foram utilizadas técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e análise química quantitativa. Para a medição das tensões residuais, foi utilizado o método do furo cego, baseado na norma ASTM E837-08, onde rosetas (strain-gages) são coladas à peça para medir as deformações geradas devido à usinagem de um pequeno furo no local de medição. As deformações foram associadas às tensões residuais através de equações baseadas na Lei de Hooke. A caracterização revelou uma microestrutura composta basicamente de ferrita e perlita, típica de aços com baixo teor de carbono, corroborando com a especificação fornecida pelo fabricante. As tensões residuais encontradas foram trativas e mostraram-se elevadas, com alguns valores acima do limite de escoamento do material.

Morfologia e topografia de superfícies de aço inoxidável duplex UNS S32205, submetidas à erosão por impactos de partículas de alumina em fluxo de ar.

Os aços inoxidáveis duplex vêm sendo cada vez mais utilizados em aplicações que demandam maior resistência à corrosão que os aços inoxidáveis tradicionais. Suas aplicações em estruturas ao ar livre, ou submersas, motivam estudos sobre seu desempenho em variadas situações, como no caso de exposição ao desgaste erosivo.O presente trabalho estuda os efeitos da erosão por impacto de partículas sólidas em superfícies de amostras de um aço inoxidável duplex UNS S32205, tanto do ponto de vista morfológico quanto do topográfico. Superfícies de amostras polidas e posteriormente submetidas a ataques erosivos com partículas de alumina em fluxo de ar, foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura, para verificação das formas de desgaste obtidas, e submetidas a ensaios de rugosidade, para determinação do perfil e avaliação da evolução do processo erosivo. Foi feito um exame mais detalhado de formatos de crateras, para comparação com mecanismos propostos em modelos descritos na literatura e com resultados de simulações pelo método dos elementos finitos. Nesse aspecto, o método utilizado mostrou-se tão eficaz quanto aos métodos tradicionais de estudos balísticos com uma só partícula, além de mais abrangente e econômico. As medidas de rugosidade superficial e as informações estatísticas derivadas sinalizaram a possibilidade de utilização dessa ferramenta para avaliar as condições de efetiva perda de massa, que caracterizam a erosão.

Estudo da precisão e da exatidão da técnica da birrefringência acústica na avaliação de tensões residuais e aplicadas.

Este trabalho apresenta um procedimento numérico para o estudo da precisão e da exatidão da técnica de birrefringência acústica como usada no Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) para avaliação de tensões residuais e aplicadas em estruturas metálicas. Esse procedimento deverá ser incorporado posteriormente ao módulo de processamento de sinal do sistema ultrassônico utilizado no Laboratório de Ultrassom do IEN para levar em conta, de forma automática e sistemática, as incertezas nos dados de entrada e as suas propagações ao longo dos cálculos efetuados. A birrefringência acústica é geralmente definida a partir das velocidades de duas ondas ultrassônicas volumétricas de incidência normal e ortogonais entre si. A birrefringência pode ser definida diretamente a partir dos tempos de percurso dessas duas ondas, uma vez que elas percorrem o mesmo espaço físico. Os tempos de percurso das ondas podem ser assim considerados como as variáveis primárias de interesse. Por meio da teoria da acustoelasticidade é possível relacionar a birrefringência acústica com as tensões atuantes no material explorando o fato da velocidade da onda ultrassônica ser afetada pela presença de um campo de tensões. Nesta dissertação elaborou-se um conjunto de planilhas eletrônicas no aplicativo Microsoft Excel para efetuar de forma automática todos os cálculos necessários ao objetivo proposto, levando em conta as incertezas nos dados, sua propagação ao longo dos cálculos e o número de dígitos significativos nos resultados. Como exemplo do procedimento desenvolvido, o estudo da precisão e da exatidão na determinação das tensões em uma viga de aço sob flexão pela técnica da birrefringência acústica é apresentado. Como valor de referência, para fins do cálculo da exatidão alcançada, utilizou-se uma solução analítica derivada da teoria clássica da resistência de materiais. Os resultados encontrados indicaram uma razoável precisão, com um erro relativo menor do que 8%, e uma baixa exatidão, menor do que 57%, nos pontos da viga sujeitos às maiores tensões principais de flexão.

Metodologia de análise do abastecimento de veículos elétricos no contexto das redes inteligentes de energia.

Este trabalho apresenta um modelo de simulação para avaliação da recarga de veículos elétricos em redes de distribuição de energia, com foco na adequação da capacidade dos transformadores. Com base em medições efetuadas, foi possível o tratamento dos dados para a modelagem de curvas de recarga de veículos elétricos e a análise do acréscimo da demanda da recarga em transformadores de distribuição. O modelo de simulação permite avaliar os efeitos das variáveis relacionadas à distância percorrida e ao horário da conexão dos veículos elétricos à rede, tanto de forma determinística quanto de forma aleatória. Estes efeitos foram comparados e permitiram concluir a importância da utilização deste método mais realista para calcular a capacidade dos transformadores, visando suprir esta nova demanda. Além disso, o trabalho apresenta indicadores dos benefícios ambientais e energéticos da penetração dos veículos elétricos no que diz respeito ao gasto com reabastecimento e às emissões evitadas, respectivamente, ao se utilizar veículos elétricos à bateria em substituição aos tradicionais veículos à combustão interna.

Precondicionadores baseados na aproximação da inversa.

Neste trabalho de dissertação apresentaremos uma classe de precondicionadores baseados na aproximação esparsa da inversa da matriz de coecientes, para a resolução de sistemas lineares esparsos de grandes portes através de métodos iterativos, mais especificamente métodos de Krylov. Para que um método de Krylov seja eficiente é extremamente necessário o uso de precondicionadores. No contexto atual, onde computadores de arquitetura híbrida são cada vez mais comuns temos uma demanda cada vez maior por precondicionadores paralelizáveis. Os métodos de inversa aproximada que serão descritos possuem aplicação paralela, pois so dependem de uma operação de produto matriz-vetor, que é altamente paralelizável. Além disso, alguns dos métodos também podem ser construídos em paralelo. A ideia principal é apresentar uma alternativa aos tradicionais precondicionadores que utilizam aproximações dos fatores LU, que apesar de robustos são de difícil paralelização.

Estudo de sistemas de protecção térmica húmidos sujeitos a condições de incêndio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo e a interpretação dos mecanismos de transferência de calor e massa no interior de um meio poroso húmido actuando como barreira térmica de protecção em condições de incêndio, visando, sobretudo, melhorar o desempenho destes sistemas. A barreira térmica estudada é constituída por camadas de fibra de vidro, cuja face exposta à chama é protegida por uma folha de alumínio perfurada. A realização deste estudo envolveu a concepção, realização e operação de uma montagem experimental, com a qual se obteve a evolução temporal da temperatura e da taxa de evaporação de água no interior de uma amostra da barreira térmica, submetida à acção directa de uma chama. A análise do processo de protecção foi complementada com resultados obtidos por simulação numérica do processo, designadamente a evolução das propriedades térmicas, que determinam os mecanismos de transferência de calor e massa no interior da barreira. Para esse efeito foi desenvolvido um modelo matemático de simulação do processo de protecção para as barreiras em estudo, que permitiu obter resultados que acompanham bem as evoluções verificadas nos ensaios experimentais. A barreira térmica estudada mostrou claramente possuir um bom desempenho no processo de protecção, face às barreiras térmicas secas. Com a realização deste estudo identificaram-se e quantificaram-se os mecanismos de transferência de calor e massa dominantes nas diversas fases do processo de protecção, o que permitiu extrair conclusões valiosas quanto às características dos meios porosos que contribuem para o seu bom desempenho como barreiras térmicas húmidas.

Secagem convectiva de produtos alimentares: otimização e controlo

O presente trabalho tem como objetivo analisar a cinética de secagem do bacalhau salgado verde (Gadus morhua) em secador convectivo. É apresentada a análise da composição físico-química dos bacalhaus utilizados nos ensaios experimentais, bem como o estudo das isotermas de sorção do produto, através de experiências e modelação matemática. Dos modelos usados para o ajuste das isotermas de sorção do bacalhau salgado verde, o que melhor se adaptou aos resultados experimentais foi o modelo de GAB Modificado, com coeficientes de correlação variando entre 0,992 e 0,998. Para o controlo do processo de secagem (nomeadamente os parâmetros temperatura, humidade relativa e velocidade do ar) foi utilizada lógica difusa, através do desenvolvimento de controladores difusos para o humidificador, desumidificador, resistências de aquecimento e ventilador. A modelação do processo de secagem foi realizada através de redes neuronais artificiais (RNA), modelo semi-empírico de Page e modelo difusivo de Fick. A comparação entre dados experimentais e simulados, para cada modelo, apresentou os seguintes erros: entre 1,43 e 11,58 para o modelo de Page, 0,34 e 4,59 para o modelo de Fick e entre 1,13 e 6,99 para a RNA, com médias de 4,38, 1,67 e 2,93 respectivamente. O modelo obtido pelas redes neuronais artificiais foi submetido a um algoritmo de otimização, a fim de buscar os parâmetros ideais de secagem, de forma a minimizar o tempo do processo e maximizar a perda de água do bacalhau. Os parâmetros ótimos obtidos para o processo de secagem, após otimização realizada, para obter-se uma humidade adimensional final de 0,65 foram: tempo de 68,6h, temperatura de 21,45°C, humidade relativa de 51,6% e velocidade de 1,5m/s. Foram também determinados os custos de secagem para as diferentes condições operacionais na instalação experimental. Os consumos por hora de secagem variaram entre 1,15 kWh e 2,87kWh, com uma média de 1,94kWh.

Nanocompósitos de PMMA/HA/grafeno para aplicações biomédicas

Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

Blast-wave absorption capacity of sandwich structures incorporating cellular materials

A incorporação de materiais absorsores de energia (AE) em sistemas de protecção é uma clara possibilidade de melhoraria do seu desempenho, devido à elevada relação entre a sua resistência e o seu peso, e a excelente capacidade para absorverem energia quando solicitados dinamicamente. As propriedades mecânicas da cortiça (e.g. a baixa densidade e a elevada rigidez e resistência específicas) sugerem que este material — assim como os seus derivados — podem apresentar propriedades excelentes quando aplicados como núcleos em sistemas AE do tipo estrutura sanduíche. Esta dissertação engloba trabalho experimental e numérico. O primeiro conjunto de testes experimentais consistiu na caracterização experimental dinâmica (ondas de choque de explosivos) do comportamento de dois micra aglomerados de cortiça (MAC), NL20 e TB40. Um pendulo balístico de 4 cabos foi usado para a medição do impulso transmitido a uma amostra de MAC impactada por uma onda de choque com origem na detonação de um explosivo energético. Foi registado o movimento do pêndulo e os valores de força resultantes. Um modelo numérico do problema recorrendo ao método dos elementos finitos (MEF) foi também desenvolvido, apresentando uma elevada correlação com a análise experimental, permitindo assim o desenvolvimento de um modelo constitutivo adequado à modelação do comportamento dinâmico dos MAC neste tipo de solicitações. Na segunda fase de testes experimentais, os MAC testados anteriormente são incorporados como núcleos em estruturas sanduíche com faces de alumínio (liga 5754-H22). Foram medidos os valores de defleção e o impulso transmitido ao pêndulo através do movimento oscilatório. São determinados os efeitos da densidade e da espessura dos núcleos na resposta estrutural do sistema. Também neste caso foi desenvolvido um modelo recorrendo ao MEF e posteriormente validado com resultados experimentais.

Automatic information and safety systems for driving assistance

O objeto principal desta tese é o estudo de algoritmos de processamento e representação automáticos de dados, em particular de informação obtida por sensores montados a bordo de veículos (2D e 3D), com aplicação em contexto de sistemas de apoio à condução. O trabalho foca alguns dos problemas que, quer os sistemas de condução automática (AD), quer os sistemas avançados de apoio à condução (ADAS), enfrentam hoje em dia. O documento é composto por duas partes. A primeira descreve o projeto, construção e desenvolvimento de três protótipos robóticos, incluindo pormenores associados aos sensores montados a bordo dos robôs, algoritmos e arquitecturas de software. Estes robôs foram utilizados como plataformas de ensaios para testar e validar as técnicas propostas. Para além disso, participaram em várias competições de condução autónoma tendo obtido muito bons resultados. A segunda parte deste documento apresenta vários algoritmos empregues na geração de representações intermédias de dados sensoriais. Estes podem ser utilizados para melhorar técnicas já existentes de reconhecimento de padrões, deteção ou navegação, e por este meio contribuir para futuras aplicações no âmbito dos AD ou ADAS. Dado que os veículos autónomos contêm uma grande quantidade de sensores de diferentes naturezas, representações intermédias são particularmente adequadas, pois podem lidar com problemas relacionados com as diversas naturezas dos dados (2D, 3D, fotométrica, etc.), com o carácter assíncrono dos dados (multiplos sensores a enviar dados a diferentes frequências), ou com o alinhamento dos dados (problemas de calibração, diferentes sensores a disponibilizar diferentes medições para um mesmo objeto). Neste âmbito, são propostas novas técnicas para a computação de uma representação multi-câmara multi-modal de transformação de perspectiva inversa, para a execução de correcção de côr entre imagens de forma a obter mosaicos de qualidade, ou para a geração de uma representação de cena baseada em primitivas poligonais, capaz de lidar com grandes quantidades de dados 3D e 2D, tendo inclusivamente a capacidade de refinar a representação à medida que novos dados sensoriais são recebidos.