Estudo da aplicação de molas magnéticas na recolha da energia de fontes renováveis

Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Especialização em Sistemas de Energia e Controlo, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016

Compósitos Portland-biopolímeros para cimentação de poços de petróleo

The oil production in mature areas can be improved by advanced recovery techniques. In special, steam injection reduces the viscosity of heavy oils, thus improving its flow to surrounding wells. On the other hand, the usually high temperatures and pressures involved in the process may lead to cement cracking, negatively affecting both the mechanical stability and zonal isolation provided by the cement sheath of the well. The addition of plastic materials to the cement is an alternative to prevent this scenario. Composite slurries consisting of Portland cement and a natural biopolymer were studied. Samples containing different contents of biopolymer dispersed in a Portland cement matrix were prepared and evaluated by mechanical and rheological tests in order to assess their behavior according to API (American Petroleum Institute) guidelines. FEM was also applied to map the stress distribution encountered by the cement at bottom bole. The slurries were prepared according to a factorial experiment plan by varying three parameters, i.e., cement age, contents of biopolymer and water-to-cement ratio. The results revealed that the addition of the biopolymer reduced the volume of free water and the setting time of the slurry. In addition, tensile strength, compressive strength and toughness improved by 30% comparing hardened composites to plain Portland slurries. FEM results suggested that the stresses developed at bottomhole may be 10 to 100 times higher than the strength of the cement as evaluated in the lab by unconfined mechanical testing. An alternative approach is proposed to adapt the testing methodology used to evaluate the mechanical behavior of oilwell cement slurries by simulating the confined conditions encountered at bottornhole

Estudo comparativo de pás para aerogeradores de grande porte fabricadas em materiais compósitos reforçadas com fibra de carbono ou fibra de vidro

The research and development of wind turbine blades are essential to keep pace with worldwide growth in the renewable energy sector. Although currently blades are typically produced using glass fiber reinforced composite materials, the tendency for larger size blades, particularly for offshore applications, has increased the interest on carbon fiber reinforced composites because of the potential for increased stiffness and weight reduction. In this study a model of blade designed for large generators (5 MW) was studied on a small scale. A numerical simulation was performed to determine the aerodynamic loading using a Computational Fluid Dynamics (CFD) software. Two blades were then designed and manufactured using epoxy matrix composites: one reinforced with glass fibers and the other with carbon fibers. For the structural calculations, maximum stress failure criterion was adopted. The blades were manufactured by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), typical for this type of component. A weight comparison of the two blades was performed and the weight of the carbon fiber blade was approximately 45% of the weight of the fiberglass reinforced blade. Static bending tests were carried out on the blades for various percentages of the design load and deflections measurements were compared with the values obtained from finite element simulations. A good agreement was observed between the measured and calculated deflections. In summary, the results of this study confirm that the low density combined with high mechanical properties of carbon fibers are particularly attractive for the production of large size wind turbine blades

Análise e Prevenção de avarias de um veio de manivelas de um motor Pielstick

Na engenharia mecânica há cada vez mais necessidade de utilizar e de prever o comportamento das máquinas térmicas, mais propriamente dos motores de combustão interna, em especial na área da manutenção e da prevenção de falha num dos componentes vitais de um motor a 4 tempos: o veio de manivelas. Esta situação já tem sido bastante observada na indústria mecânica naval, nomeadamente na Marinha Portuguesa e, devido ao seu elevado grau de importância no desempenho de qualquer motor, decidiu-se focar o trabalho desta tese no estudo dos motores a diesel S.E.M.T Pielstick das unidades navais da Marinha Portuguesa, mais especificamente das corvetas da classe “João Coutinho” e da classe “ Baptista de Andrade”, devido ao historial de ocorrência de falhas no veio de manivelas nesta classe de navios e em outras da Marinha Portuguesa. Para efetuar este estudo, utilizaram-se todos os dados relativos ao historial de ocorrências de falhas destes motores, bem como todos os dados disponíveis do fabricante destes motores, por forma a reproduzir da forma mais fiável possível um modelo tridimensional do veio de manivelas no programa de modelação informática CAD Solidworks®, e possibilitar a análise cinemática do veio de manivelas. Desta forma, foi possível simular as condições de funcionamento do motor, assim como analisar e determinar a causa de falha do veio de manivelas, visando prolongar a vida útil dos veios de manivelas, contribuindo não só para menores custos de manutenção mas também para o aumento da operacionalidade destes navios.

Estudo da resistência ao fogo de pilares de aço inserido em paredes

O comportamento ao fogo de pilares de aço inseridos em paredes de edifícios é substancialmente diferente dos pilares quando isolados. O contacto com as paredes provoca por um lado um efeito de redução das temperaturas, revelando-se de certa forma favorável em termos de comportamento ao fogo, mas por outro lado provocando um aquecimento diferencial das secções levando ao aparecimento de esforços desfavoráveis (momentos fletores) nos pilares, aumentando a instabilidade. Este último fenómeno designa-se de “Thermal Bowing”, provocado pelo aquecimento diferencial, deve ser avaliado por uma quantificação rigorosa das temperaturas nos perfis de aço. O estudo foi realizado em dois níveis, numérico e experimental. Foram testados pilares inseridos em paredes de alvenaria, tanto com a alma paralela como perpendicular à parede. Pretendeu-se assim, avaliar o efeito da ação térmica diferencial no comportamento estrutural dos pilares e concluir qual o efeito das paredes sobre estes na sua resistência estrutural. Foram ainda alvo de análise o nível de carregamento e a esbelteza do pilar. Compararam-se os resultados dos ensaios experimentais com os estudos numéricos, reproduzindo as condições utilizadas nos ensaios experimentais, por forma a contribuir para o desenvolvimento/melhoria dos métodos de dimensionamento dos pilares em situação de incêndio. O programa experimental comportou a realização de ensaios em pilares de aço de secção H, embebidos em paredes. A modelação numérica dos ensaios foi realizada utilizando o programa de computador de elementos finitos ABAQUS, elaborando-se uma análise geométrica e material não - linear. Os principais resultados deste trabalho de investigação foram uma melhor avaliação da evolução de temperaturas na secção transversal dos pilares de aço com aquecimento diferencial, inseridos em paredes, deslocamentos, forças de restrição e esforço axial daí decorrentes. A partir destes resultados, realizou-se uma análise detalhada do deslocamento do centro de gravidade ao longo do tempo, provocada pela degradação das propriedades mecânicas do aço.

Avances en el proyecto “Determinación de la forma exacta de la tierra a través de MEMS en un Nano-Satélite”

El presente trabajo muestra el avance que se tiene en el proyecto denominado “Diseño y Construcción de un Nano-Satélite”, que se lleva a cabo en la ESIME U.P.-Ticoman del Instituto Politécnico Nacional. Este proyecto tiene como objetivo principal introducir a los alumnos en el que hacer espacial, se trata de un satélite con un peso de un kilogramo y es un cubo de 10 cm de lado y cuya carga útil tiene MEMS (sistema de micro-electromecánicos) que harán las veces de péndulo electrónico, lo anterior y los armónicos gravitacionales permitirán determinar la forma de la tierra. Se presenta el fundamento matemático, los componentes del satélite, el diseño preliminar de la estructura, la manufactura de la estructura, los resultados de un ensaye estructural destructivo y el análisis estático por elementos finitos.

Análisis numérico y experimental del agrietamiento transversal en laminados cruzados simétricos

Este trabajo, está orientado a los materiales compuestos laminados de aplicación en las estructuras aeroespaciales. Una de las principales características que los hacen ventajosos son los elevados cocientes resistencia/peso y rigidez/peso; esto es, si se compara la densidad de una aleación de aluminio con la densidad de un material compuesto de fibra de carbono con matriz de resina epoxi, el material compuesto es 1,77 veces más liviano que la aleación de aluminio; de igual modo, si se compara la resistencia a tracción del material compuesto con la aleación de aluminio, el material compuesto de fibras de carbono con matriz de resina epoxi es 3,21 veces más resistente. Sin embargo, los materiales compuestos laminados tienen poca resistencia en la dirección transversal, por lo que es necesario colocar láminas a 90 grados durante el apilado para obtener una mayor resistencia en la dirección transversal. En particular los análisis realizados en esta investigación se han centrado en los laminados cruzados simétricos sometidos a cargas de tracción. Un laminado cruzado es un conjunto de dos o más láminas pegadas entre sí dispuestas de forma simétrica a 0º y 90º. Las láminas externas se disponen en la dirección de la carga (0º) y la interna perpendicular a la misma (90º), y actúa como un elemento integral estructural.

Avaliação do comportamento dinâmico da torre sineira da Sé Catedral do Funchal

O objetivo principal deste trabalho consiste na caracterização dinâmica da Torre Sineira da Sé Catedral do Funchal. Esta caracterização tem como base o recurso a técnicas de análise experimental, e em simultâneo, a simulações numéricas. As técnicas experimentais utilizadas baseiam-se na utilização de metodologias de identificação dinâmica com base em medições da resposta estrutural provocada pela excitação ambiente, i.e. vento e tráfego. A campanha de ensaios foi realizada em cinco séries de medição com acelerômetros piezoelétricos de alta sensibilidade e recorrendo a equipamento de aquisição de dados de alto desempenho. Ao longo do trabalho são descritas as principais características dos ensaios, bem como os resultados obtidos recorrendo a técnicas de análise modal operacional, culminando na obtenção dos parâmetros modais dos principais modos de vibração da estrutura. Após o tratamento dos resultados obtidos experimentalmente, estes foram usados para calibrar um modelo numérico implementado num software comercial de elementos finitos. Este modelo tem como base técnicas de modelação correntemente utilizadas na simulação deste tipo de estruturas, bem como parâmetros plausíveis para definir o comportamento mecânico dos materiais. Posteriormente, os resultados obtidos em ambas as abordagens são diretamente comparados, tendo sido possível observar uma boa correspondência entre ambos. Esta dissertação termina com as principais conclusões e com a identificação dos principais desenvolvimentos para trabalhos futuros.

Projeto de um sistema de transmissão para um veículo de competição

Neste trabalho foi realizado o estudo para a substituição de uma relação de transmissão final flexível por uma solução que fosse constituída por engrenagens. Para tal foram idealizadas duas hipóteses, uma primeira onde a relação final está alojada numa estrutura à parte da caixa de velocidades mantendo-se esta no cárter original e uma segunda hipótese onde é elaborada uma estrutura que englobasse a relação final assim como os veios primário e secundário da caixa de velocidades. Foi inicialmente necessário um estudo sobre materiais a utilizar em situações semelhantes, assim como processos de fabrico. Realizou-se também um estudo sobre o engrenamento e cálculo das relações de transmissão requeridos para uma boa prestação em ambiente de competição. Posteriormente, no âmbito da modelação da estrutura, foram aprofundados conhecimentos no que toca a temas como lubrificação, elementos de ligação, diferenciais e alguns exemplos já existentes no mercado. Assim sendo, e tendo em conta as especificações do motor, do veículo e dos objetivos pretendidos foi necessário dimensionar os veios e engrenagens. Para elaborar estes cálculos foi utilizado o software KISSsoft nos respetivos módulos “cálculo de Eixos-árvores” e “Pares de Engrenagens”. As engrenagens e relações calculadas são idênticas para ambas as hipóteses, porém, não sucede o mesmo com os veios onde no caso onde se mantem o cárter original as dimensões dos veios são necessariamente iguais aos já existentes, enquanto na hipótese da elaboração da nova estrutura, os veios puderam ser otimizados de forma a reduzir peso e consequentemente alterar os rolamentos em uso. Em seguida foram modeladas as estruturas relativas às duas hipóteses no software SolidWorks. A modelação teve em conta vários fatores como o local onde são apoiados os veios, mais propriamente, através dos rolamentos, dimensões das engrenagens, sistema de lubrificação escolhido, vedação e elementos de ligação. Tendo em conta todas estas variáveis, a modelação é depois sujeita a simulações segundo o método dos elementos finitos e para tal foi utilizada uma extensão do software SolidWorks chamada “Simulation” que permitiu simular vários fatores relacionados com o ambiente de trabalho da estrutura como forças aplicadas, condições de fronteira e material a utilizar e com isto validar modelos através das tensões equivalentes e deslocamentos.

Projeto de chassis para Formula Student

Neste trabalho é relatado o processo de projeto de um chassis para um veículo de Formula Student. Ao longo do relatório são abordados aspetos regulamentares, requisitos e objetivos técnicos, a interligação com os diversos sistemas do veículo, os aspetos relacionados com o projeto da estrutura, métodos de modelação para análise com recurso ao método dos elementos finitos, e por fim a análise dos esforços aplicados ao chassis e a validação do mesmo.

Avaliação do comportamento dinâmico da torre sineira da Sé Catedral do Funchal

O objetivo principal deste trabalho consiste na caracterização dinâmica da Torre Sineira da Sé Catedral do Funchal. Esta caracterização tem como base o recurso a técnicas de análise experimental, e em simultâneo, a simulações numéricas. As técnicas experimentais utilizadas baseiam-se na utilização de metodologias de identificação dinâmica com base em medições da resposta estrutural provocada pela excitação ambiente, i.e. vento e tráfego. A campanha de ensaios foi realizada em cinco séries de medição com acelerômetros piezoelétricos de alta sensibilidade e recorrendo a equipamento de aquisição de dados de alto desempenho. Ao longo do trabalho são descritas as principais características dos ensaios, bem como os resultados obtidos recorrendo a técnicas de análise modal operacional, culminando na obtenção dos parâmetros modais dos principais modos de vibração da estrutura. Após o tratamento dos resultados obtidos experimentalmente, estes foram usados para calibrar um modelo numérico implementado num software comercial de elementos finitos. Este modelo tem como base técnicas de modelação correntemente utilizadas na simulação deste tipo de estruturas, bem como parâmetros plausíveis para definir o comportamento mecânico dos materiais. Posteriormente, os resultados obtidos em ambas as abordagens são diretamente comparados, tendo sido possível observar uma boa correspondência entre ambos. Esta dissertação termina com as principais conclusões e com a identificação dos principais desenvolvimentos para trabalhos futuros.

Desenvolvimento de um método de volumes finitos de alta ordem para a simulação de escoamentos de fluidos viscoelásticos

O uso da mecânica de fluidos computacional no estudo de processos envolvendo o escoamento de fluidos poliméricos está cada vez mais presente nas indústrias de transformação de polímeros. Um código computacional voltado a esta função, para que possa ser aplicado com sucesso, deve levar a predições mais próximas possível da realidade (modelagem), de uma forma relativamente rápida e eficiente (simulação). Em relação à etapa de modelagem, o ponto chave é a seleção de uma equação constitutiva que represente bem as características reológicas do fluido, dentre as diversas opções existentes. Para a etapa de simulação, ou seja, a resolução numérica das equações do modelo, existem diversas metodologias encontradas na literatura, cada qual com suas vantagens e desvantagens. Neste tópico se enquadra o trabalho em questão, que propõe uma nova metodologia para a resolução das equações governantes do escoamento de fluidos viscoelásticos. Esta se baseia no método dos volumes finitos, usando o arranjo co-localizado para as variáveis do problema, e na utilização de aproximações de alta ordem para os fluxos médios lineares e não-lineares e para outros termos não lineares que surgem da discretização das equações constitutivas. Nesta metodologia, trabalha-se com os valores médios das variáveis nos volumes durante todo o processo de resolução, sendo que os valores pontuais são obtidos ao final do procedimento via deconvolução. A solução do sistema de equações não lineares, resultante da discretização das equações, é feita de forma simultânea, usando o método de Newton São mostrados então, resultados da aplicação da metodologia proposta em problemas envolvendo escoamentos de fluidos newtonianos e fluidos viscoelásticos. Para descrever o comportamento reológico destes últimos, são usadas duas equações constitutivas, que são o modelo de Oldroyd-B e o modelo de Phan-Thien-Tanner Simplificado. Por estes resultados pode-se ver que a metodologia é muito promissora, apresentando algumas vantagens frente às metodologias convencionais em volumes finitos. A implementação atual da metodologia desenvolvida está restrita a malhas uniformes e, consequentemente, soluções para problemas com geometrias complexas, que necessitam de refinamento localizado da malha, foram obtidas somente para baixos números de Weissenberg, devido a limitação do custo computacional. Esta restrição pode ser contornada, tornando o seu uso competitivo.

Simulação computacional do escoamento em bombas de cavidades progressivas

The use of Progressing Cavity Pumps (PCPs) in artificial lift applications in low deep wells is becoming more common in the oil industry, mainly, due to its ability to pump heavy oils, produce oil with large concentrations of sand, besides present high efficiency when compared to other artificial lift methods. Although this system has been widely used as an oil lift method, few investigations about its hydrodynamic behavior are presented, either experimental or numeric. Therefore, in order to increase the knowledge about the BCP operational behavior, this work presents a novel computational model for the 3-D transient flow in progressing cavity pumps, which includes the relative motion between rotor and stator, using an element based finite volume method. The model developed is able to accurately predict the volumetric efficiency and viscous looses as well as to provide detailed information of pressure and velocity fields inside the pump. In order to predict PCP performance for low viscosity fluids, advanced turbulence models were used to treat, accurately, the turbulent effects on the flow, which allowed for obtaining results consistent with experimental values encountered in literature. In addition to the 3D computational model, a simplified model was developed, based on mass balance within cavities and on simplification on the momentum equations for fully developed flow along the seal region between cavities. This simplified model, based on previous approaches encountered in literature, has the ability to predict flow rate for a given differential pressure, presenting exactness and low CPU requirements, becoming an engineering tool for quick calculations and providing adequate results, almost real-time time. The results presented in this work consider a rigid stator PCP and the models developed were validated against experimental results from open literature. The results for the 3-D model showed to be sensitive to the mesh size, such that a numerical mesh refinement study is also presented. Regarding to the simplified model, some improvements were introduced in the calculation of the friction factor, allowing the application fo the model for low viscosity fluids, which was unsuccessful in models using similar approaches, presented in previous works

Acção do vento e segurança estrutural de edifícios industriais dotados de elementos fusíveis na envolvente

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Civil - Ramo de Estruturas

FluidUM: análise de fluidos de um automóvel

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica