Validación de la simulación numérica del flujo bifásico hidrodinámico en sistemas de lecho fluido

Este trabajo tiene como objetivo la mejora en la validación de la simulación numérica del flujo bifásico característico del transporte de lecho fluido, mediante la formulación y desarrollo de un modelo numérico combinado Volúmenes Finitos - Elementos Finitos. Para ello se simula numéricamente el flujo de mezcla sólido-gas en una Cámara de Lecho Fluido, bajo implementación en código COMSOL, cuyos resultados son mejores comparativamente a un modelo basado en el método de Elementos Discretos implementado en código abierto MFIX. El problema fundamental de la modelización matemática del fenómeno de lecho fluido es la irregularidad del dominio, el acoplamiento de las variables en espacio y tiempo y, la no linealidad. En esta investigación se reformula apropiadamente las ecuaciones conservativas del fenómeno, tales que permitan obtener un problema variacional equivalente y solucionable numéricamente. Entonces; se define una ecuación de estado en función de la presión hidrodinámica y la fracción volumétrica de sólidos, quedando desacoplado el sistema en tres sub-problemas, garantizando así la existencia de solución del problema general. Una vez aproximados numéricamente ambos modelos, se comparan los resultados de donde se observa que el modelo materia del presente artículo, verifica de forma más eficaz las condiciones de mezcla óptima, reflejada en la calidad del burbujeo y velocidad de mezcla.

Estudo físico-químico de copoliéteres por viscosimetria

A viscosimetria é um procedimento experimental simples e pouco oneroso, que pode fornecer informações valiosas sobre o volume hidrodinâmico e a conformação de macromoléculas em solução, num determinado solvente, em uma dada temperatura. Os parâmetros viscosimétricos podem ser matematicamente calculados por extrapolação gráfica, cuja execução experimental é mais demorada. Em contrapartida, é possível que a determinação seja feita por um único ponto. Neste trabalho, os dois métodos de cálculo, empregando uma série de seis equações: Huggins, Kraemer e Schulz-Blaschke, por extrapolação gráfica, e Schulz-Blaschke, Solomon-Ciuta e Deb-Chanterjee por um único ponto, foram utilizados em soluções de poli(glicol propilênico) (PPG) e copolímeros em bloco à base de poli(glicol propilênico) e poli(glicol etilênico) (EG-b-PG), com diferentes teores de poli(glicol etilênico), tendo isopropanol, tetra-hidrofurano (THF) e tolueno como solventes puros, além das misturas em proporções iguais de THF/ isopropanol e THF/ tolueno, a 25C. Os valores de viscosidade intrínseca e de algumas constantes indicaram que os solventes puros e as misturas se apresentaram no limite entre o bom e o mau solvente. Verificou-se também que o método de cálculo por um único ponto foi válido, especialmente quando a equação de Schulz-Blaschke foi empregada, apresentando um baixo percentual de erro sendo possível assim reduzir o tempo de análise para a maioria dos sistemas estudados

Estudo do efeito das cargas de nutrientes no reservatório APM-Manso: uma abordagem através da modelagem numérica tridimensional.

Os gestores de recursos hídricos estão encarregados da gestão de longo prazo, a regulação e a proteção dos recursos hídricos. No entanto, reconhece-se que a estes gestores devem levar em conta a multiplicidade de usos dos recursos hídricos que são apresentadas pelas partes interessadas, tais como agricultores, fornecedores de água e grupos de ambientalistas. Dada a complexidade do sistema hidrológico, o desenvolvimento e a utilização de modelos matemáticos são muitas das vezes necessários. Neste contexto a modelagem ambiental é frequentemente realizada para avaliar os impactos da degradação do ecossistema devido à ação humana. Essa aplicação orientada a investigações proporciona um importante meio pelo qual os cientistas podem interagir e influenciar nas políticas a nível local, regional, nacional e internacional. No Mato Grosso, durante a implantação da hidroelétrica de Aproveitamento Múltiplo de Manso foram adotadas medidas de mitigação dos impactos socioeconômicos causados. Essas medidas geram uma tendência de aumento populacional associado a uma mudança das características sócio-econômicas, para toda a região do entorno do Reservatório, o que agrava o problema de poluição por nutrientes e denota que existe uma necessidade proeminente de estudos do impacto que estas cargas causariam no ecossistema do reservatório. Utilizando o modelo hidrodinâmico e termodinâmico tridimensional ELCOM, associado ao modelo biogeoquímico Caedym, este trabalho tem a finalidade de criar uma modelagem representativa das cargas dos principais nutrientes causadores da eutrofização cultural, sendo eles: a amônia (NH4), o nitrato (NO3) e o Ortofosfato (PO4), com a finalidade de estudar os efeitos das dinâmicas espaciais e temporais destas cargas no estado trófico deste reservatório no em torno dos pontos de lançamento de esgoto e na sua totalidade.

Problemas inversos aplicados à identificação de parâmetros hidrodinâmicos de um modelo do estuário do rio Macaé

Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros.

Avaliação teórica, numérica e probabilística de fundações tracionadas.

A geotecnia constitui uma disciplina relativamente recente na área da engenharia civil, e dessa disciplina faz parte um capítulo ainda menos estudado que trata de fundações submetidas a esforços de tração. O presente trabalho deriva do conjunto de provas de cargas realizado para um importante projeto de linhas de transmissão que permitiu a aferição da teoria de capacidade de carga à tração da Universidade de Grenobel, cujos estudos comparativos mostram bons resultados para fins de aplicações práticas. De posse da extensa documentação técnica produzida e documentada por esse estudo foi possível comparar os resultados obtidos pelas provas de cargas e os resultados teóricos com os resultados das modelagens 2D axisimetricas por elementos finitos. Além dessas análises, foi possível verificar a variação da resistência à tração através de análises paramétricas realizadas a partir da variação da coesão e do ângulo de atrito. Os estudos apresentados reafirmam a confiabilidade das teorias da Universidade de Grenoble, que contemplam a simplicidade desejada às aplicações de cunho prático, com resultados satisfatórios em relação àqueles obtidos nos ensaios de tração. Por outro lado, as análises paramétricas realizadas indicaram a tendência de comportamento que a resistência à tração deve apresentar para diferentes parâmetros do solo. O conhecimento dessas tendências permite ao projetista avaliar os fatores de segurança sob ponto de vista probabilístico, ou seja, permite o emprego de fatores de segurança com o conhecimento da probabilidade de ruína associada. As análises probabilísticas foram traçadas a partir do emprego de funções genéricas de várias variáveis no formato FOSM (First Order Second Moment) que fornecem soluções aproximadas para o cálculo de desvio padrão quando não existe uma amostragem representativa. Ao término das análises, obteve-se como resultado, o mapa comparativo da probabilidade de ruína para os mesmos fatores de segurança empregados com base em resistências estimadas através de diferentes métodos de cálculos (Universidade de Grenoble e modelagem computacional).

Determinação de uma fonte de contaminantes no estuário do Rio Macaé através da técnica de problemas inversos

Um grande desafio da atualidade é a preservação dos recursos hídricos, bem como o correto manejo dos mesmos, frente à expansão das cidades e às atividades humanas. A qualidade de um corpo hídrico é usualmente avaliada através da análise de parâmetros biológicos, físicos e químicos. O comportamento de tais parâmetros pode convenientemente ser simulado através de modelos matemáticos e computacionais, que surgem assim como uma ferramenta bastante útil, por sua capacidade de geração de cenários que possam embasar, por exemplo, tomadas de decisão. Nesta tese são discutidas técnicas de estimação da localização e intensidade de uma fonte de contaminante conservativo, hipoteticamente lançado na região predominantemente fluvial de um estuário. O lançamento aqui considerado se dá de forma pontual e contínua e a região enfocada compreendeu o estuário do Rio Macaé, localizado na costa norte do Rio de Janeiro. O trabalho compreende a solução de um problema direto, que consiste no transporte bidimensional (integrado na vertical) desse contaminante hipotético, bem como a aplicação de técnicas de problemas inversos. Para a solução do transporte do contaminante, aqui modelada pela versão 2D horizontal da equação de advecção-difusão, foram utilizados como métodos de discretização o Método de Elementos Finitos e o Método de Diferenças Finitas. Para o problema hidrodinâmico foram utilizados dados de uma solução já desenvolvida para estuário do Rio Macaé. Analisada a malha de acordo com o método de discretização, foram definidas a geometria do estuário e os parâmetros hidrodinâmicos e de transporte. Para a estimação dos parâmetros propostos foi utilizada a técnica de problemas inversos, com o uso dos métodos Luus-Jaakola, Algoritmo de Colisão de Partículas e Otimização por Colônia de Formigas para a estimação da localização e do método Seção Áurea para a estimação do parâmetro de intensidade da fonte. Para a definição de uma fonte, com o objetivo de propor um cenário experimental idealizado e de coleta de dados de amostragem, foi realizada a análise de sensibilidade quanto aos parâmetros a serem estimados. Como os dados de amostragem de concentração foram sintéticos, o problema inverso foi resolvido utilizando-os com e sem ruído, esse introduzido de forma artificial e aleatória. Sem o uso de ruído, os três métodos mostraram-se igualmente eficientes, com uma estimação precisa em 95% das execuções. Já com o uso de dados de amostragem com ruídos de 5%, o método Luus-Jaakola mostrou-se mais eficiente em esforço e custo computacional, embora todos tenham estimado precisamente a fonte em 80% das execuções. Considerando os resultados alcançados neste trabalho tem-se que é possível estimar uma fonte de constituintes, quanto à sua localização e intensidade, através da técnica de problemas inversos. Além disso, os métodos aplicados mostraram-se eficientes na estimação de tais parâmetros, com estimações precisas para a maioria de suas execuções. Sendo assim, o estudo do comportamento de contaminantes, e principalmente da identificação de fontes externas, torna-se uma importante ferramenta para a gestão dos recursos hídricos, possibilitando, inclusive, a identificação de possíveis responsáveis por passivos ambientais.

Circulação e fluxo de material particulado em suspensão no principal canal de acesso à baía de Sepetiba

Entre 06/08/11 e 25/02/12 foram obtidas séries temporais contínuas de intensidade e direção das correntes e intensidade do eco ao longo de toda a coluna dágua, e medições, de temperatura e pressão, próximas ao fundo, na região adjacente ao canal de acesso à baía de Sepetiba (230'16.5"S e 4359'29.4"W, profundidade local de aproximadamente 25 m) através da utilização de um perfilador acústico ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), modelo WorkHorse BroadBand Sentinel (600 kHz, Teledyne-RDI). A partir dos dados adquiridos, observou-se a existência de correntes intensas próximo ao fundo (até 1,02 m/s), principalmente durante os períodos de enchente sob condições de sizígia, que são fortemente influenciadas pela orientação do canal de navegação. A análise das séries temporais das componentes da velocidade mostraram, em conformidade ao relatado por alguns autores, que esta é uma baía cuja circulação é fortemente influenciada pela dinâmica da maré sendo M2, M4, M6 e M8 as principais componentes harmônicas que atuam no sistema. Além disso, observou-se significativa assimetria da maré, sendo os períodos de enchente consideravelmente mais curtos e associados às correntes mais intensas, o que permite concluir que no setor investigado da baía de Sepetiba há dominância de enchente. Outra característica interessante da área de estudo relaciona-se à observação de que ventos intensos de S-SO são responsáveis pelo empilhamento de água no interior da baía, sendo que altura do nível da superfície da água apresenta relação direta com as variações da pressão atmosférica local. Em diversos períodos, quando há atuação de ventos de E-NE é possível encontrar Água Central do Atlântico Sul (ACAS) no interior da baía de Sepetiba, desde a sua entrada principal até as adjacências da ilha Guaíba. Além disso, foram identificadas diversas oscilações de baixa frequência que puderam ser associadas à variação da pressão atmosférica. Oscilações de alta frequência foram associadas à dinâmica da maré, a co-oscilações da maré e ao vento. Em relação à concentração de Material Particulado em Suspensão (MPS), durante os períodos de sizígia foram registradas as maiores concentrações material particulado na coluna dágua. Durante os períodos de sizígia, o fluxo de MPS é mais pronunciado do que durante as quadraturas, sendo que, independente do período da maré, o fluxo cumulativo de material particulado em suspensão é dirigido para o interior da baía de Sepetiba. Considerando o alinhamento dos vetores de velocidade em conformidade a direção preferencial do canal de navegação, tem-se que o fluxo cumulativo de MPS varia entre dirigido para SE na região próxima ao fundo, a dirigido para NE próximo ao topo da coluna dágua, o que sugere a deflexão do movimento das correntes em consequência do atrito. Ao longo de um dia, o fluxo do material particulado é mais pronunciado durante as enchentes, quando há aumento das tensões cisalhantes que atuam sobre o leito da baía redisponibilizando para a coluna dágua o material que estava depositado no fundo.

Simulação numérica da cavitação em turbomáquinas usando uma formulação Euler-Lagrange.

Turbomáquinas são máquinas operacionais que transferem energia mecânica entre um rotor e um fluido. Estas máquinas têm muitas aplicações industriais. Um dos componentes de uma turbomáquina responsável pela transferência da energia, ou receber a rotação do eixo e transformar em energia de fluido em caso de bomba ou transferir a energia do fluido para o eixo em caso de uma turbina, é o impelidor ou rotor. O fenómeno da cavitação envolve escoamento bifásico: o líquido a ser bombeado e as bolhas de vapor que são formadas durante o processo de bombeamento. O processo de formação dessas bolhas é complexo, mas ocorre principalmente devido a presença de regiões de pressões muito baixas. O colapso dessas bolhas pode muitas vezes levar a deterioração do material, dependendo da intensidade ou da velocidade de colapso das bolhas. O principal objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento hidrodinâmico do escoamento nos canais do impelidor de uma turbomáquina do tipo radial usando recursos de fluidodinâmica computacional (CFD). Uma abordagem Euler-Lagrange acoplada com o modelo da equação de Langevin foi empregada para estimar a trajetória das bolhas. Resultados das simulações mostram as particularidades de um escoamento líquido-bolha de vapor passando em um canal de geometria curva, fornecendo assim informações que podem nos ajudar na prevenção da cavitação nessas máquinas.

Comportamento tribocorrosivo do aço inoxidável e de ligas de titânio em meio salino

No presente trabalho, foram realizados ensaios de tribocorrosão no aço inoxidável AISI 304L, no titânio comercialmente puro (CPTi) e na liga de titânio Ti6Al4V em solução aquosa de 0,90% m/v NaCl. Amostras de ligas de titânio com tratamento térmico superficial de refusão a laser também foram utilizadas. Um tribômetro do tipo pino-no-disco com contracorpo de alumina foi usado. Técnicas eletroquímicas in situ de monitoramento em circuito aberto, espectroscopia de impedância eletroquímica, curvas de polarização e amperimetria de resistência nula foram empregadas. Os resultados obtidos indicam que o desgaste tribocorrosivo das ligas de titânio é mais intenso do que o observado no aço inoxidável, apresentando perfis de superfície mais irregulares. A análise da impedância eletroquímica mostrou que todos os materiais utilizados apresentam uma rápida recuperação da camada passiva, exibindo módulos e fases um pouco menores do que os medidos antes do desgaste. Sob atrito, os diagramas de impedância apresentam uma forte redução do módulo. Sob desgaste, o expoente α do elemento de fase constante (CPE) atinge seu valor mais baixo, enquanto o parâmetro γ é máximo. As curvas de polarização exibem potenciais menores e densidades de corrente de corrosão maiores durante o desgaste. O tratamento de refusão a laser, embora mude a microestrutura e a dureza superficial das amostras, não indica uma mudança aparente nos parâmetros eletroquímicos sob tribocorrosão, bem como do coeficiente de atrito. Nos ensaios de amperimetria de resistência nula, foi possível estimar a corrente mensurada no ARN por meio do emprego de um circuito elétrico equivalente. A densidade espectral de potência dos sinais de potencial e de corrente exibe a frequência de rotação (1,25 Hz) e seus harmônicos. Para baixas frequências (abaixo de 10 mHz), o decaimento obedece à relação 1 ⁄ e 1⁄ para os sinais de potencial e corrente, respectivamente.

Análise tribológica na interface aço carbono SAE 1020 e poliamida 11 em sistemas de deslizamento automotivos

Sistemas deslizantes com interface formada com aços baixa liga e polímeros variados são vastamente utilizados na indústria automotiva em sistemas de transmissão de torque submetidas à carregamento axial. Geralmente esses sistemas são acoplados aos sistemas de direção e interagem quase diretamente com o usuário final do veículo. Para conhecer as condições de desgaste mais severas as quais esses sistemas são submetidos e tentar minimiza-las, foi proposta a análise tribológica, em tribômetro do tipo pino-no-disco, da interface aço SAE 1020 com poliamida 11 em água destilada, solução aquosa com 5% em massa de cloreto de sódio e solução aquosa com 184,21 g/l. de areia natural, de acordo com as normas técnicas automotivas VW PV1210:2010-02 e VW PV2982:2013-07. Os ensaios foram realizados em frequências de 3,0 Hz e 1,5 Hz com quantidade fixada em 10.000 ciclos de rotação. O potencial de corrosão em circuito aberto foi monitorado ao longo dos ensaios e a taxa de desgaste foi calculada. Foram evidenciados maiores coeficientes de atrito, maiores taxas de desgaste e maiores amplitudes de potencial de corrosão nas amostras ensaiadas em solução de areia; com valores mais brandos para as amostras ensaiadas em água destilada e valores intermediários para as amostras ensaiadas em solução de cloreto de sódio.

Simulação numérica da dispersão advecção de pesticidas no solo sob efeito da temperatura.

É apresentado um modelo de dispersão-advecção de evolução unidimensional que simula a lixiviação de pesticidas em lisímetros ou colunas de solo sob efeito da temperatura média diária do perfil do solo. O modelo matemático e todo o seu conjunto de hipóteses será denominado DAPESTE. Nas simulações numéricas do modelo DAPESTE serão utilizados o método dos elementos finitos para a semi-discretização da variável espacial e o método de Eüler regressivo para a discretização da variável temporal. Serão utilizados métodos de elementos finitos apropriados para problemas de dispersão-advecção nos quais o transporte advectivo predomina sobre o transporte dispersivo. O modelo DAPESTE supõe que as difusividades do pesticida nas fases gasosa e aquosa do solo dependem da temperatura média diária do solo a qual varia periodicamente com a profundidade e com o tempo. O coeficiente de dispersão hidrodinâmico do modelo DAPESTE dependerá da temperatura do solo. O coeficiente de partição água-ar, variando com a temperatura, será determinado pela equação de Clausius-Clapeyron. A equação de van?t Ho® será usada para determinar o coeficiente de sorção do pesticida no solo como função da temperatura. Com a equação de Arrhenius será estimado o efeito da temperatura na taxa de degradação do pesticida. Estas relações de dependência entre os parâmetros do modelo e a temperatura do solo auxiliam sobremaneira na compreensão do destino de pesticidas no solo sob diferentes cenários de temperaturas médias diárias, especialmente a meia vida do pesticida e a concentração lixiviada no perfil do solo.

Multi-scale dynamics on the Eastern Brazilian margin

Este trabalho combina esforços de simulação numérica e de análise de dados para investigar a dinâmica em diversos compartimentos (oceano aberto, plataforma continental e zona costeira-estuarina) e, em multiplas escalas, na Margem Continental Leste Brasileira (MCLB). A circulação de largo e mesoescala espacial e a propagação da maré barotrópica são investigadas através de uma configuração aninhada do modelo numérico ROMS. O estudo da dinâmica regional da Baía de Camamu (CMB) baseia-se na análise de dados locais. A MCLB, localizada a SW do Atlântico Sul entre 8±S e 20±S, possui plataforma estreita, batimetria complexa, e baixa produtividade primária. A sua dinâmica é influenciada pela divergência da Corrente Sul Equatorial (CSE). As simulações refletem as conexões sazonais e espaciais entre a Corrente do Brasil e a Contra Corrente Norte do Brasil , em conexão com a dinâmica da CSE. As simulações revelam atividades vorticais nas proximidades da costa e interações com a dinâmica costeira, cujos padrões são descritos. A validação do modelo em mesoescala é baseada em cálculos de energia cinética turbulenta e em dados históricos de transporte. A CMB, localizada a 13±400S, abriga uma comunidade piscatória tradicional e extenso de manguezal. Situa-se porém sobre uma bacia sedimentar com grande reservas de óleo e gás, estando em tensão permanente de impacto ambiental. Neste trabalho sumarizamos as condições físicas regionais e investigamos sua dinâmica interna, focando sua variabilidade em amostragens realizadas sob condições de seca (Setembro de 2004) e de chuva (Julho de 2005). Finalmente, o modelo numérico ROMS é forçado com o sinal de maré, empregando-se uma configuração simples (com coeficientes de atrito de fundo constantes e condições hidrográficas homogéneas), com o intuito de avaliar sua resposta e investigar a natureza da propagação da maré barotrópica na MCLB, convergindo na CMB. A análise da resposta do modelo à maré basea-se em séries históricas do nível do mar para a MCLB e dados recentes da CMB.

Development of numerical methodologies for parameter identification and shape optimization in metal forming simulations

Por parte da indústria de estampagem tem-se verificado um interesse crescente em simulações numéricas de processos de conformação de chapa, incluindo também métodos de engenharia inversa. Este facto ocorre principalmente porque as técnicas de tentativa-erro, muito usadas no passado, não são mais competitivas a nível económico. O uso de códigos de simulação é, atualmente, uma prática corrente em ambiente industrial, pois os resultados tipicamente obtidos através de códigos com base no Método dos Elementos Finitos (MEF) são bem aceites pelas comunidades industriais e científicas Na tentativa de obter campos de tensão e de deformação precisos, uma análise eficiente com o MEF necessita de dados de entrada corretos, como geometrias, malhas, leis de comportamento não-lineares, carregamentos, leis de atrito, etc.. Com o objetivo de ultrapassar estas dificuldades podem ser considerados os problemas inversos. No trabalho apresentado, os seguintes problemas inversos, em Mecânica computacional, são apresentados e analisados: (i) problemas de identificação de parâmetros, que se referem à determinação de parâmetros de entrada que serão posteriormente usados em modelos constitutivos nas simulações numéricas e (ii) problemas de definição geométrica inicial de chapas e ferramentas, nos quais o objetivo é determinar a forma inicial de uma chapa ou de uma ferramenta tendo em vista a obtenção de uma determinada geometria após um processo de conformação. São introduzidas e implementadas novas estratégias de otimização, as quais conduzem a parâmetros de modelos constitutivos mais precisos. O objetivo destas estratégias é tirar vantagem das potencialidades de cada algoritmo e melhorar a eficiência geral dos métodos clássicos de otimização, os quais são baseados em processos de apenas um estágio. Algoritmos determinísticos, algoritmos inspirados em processos evolucionários ou mesmo a combinação destes dois são usados nas estratégias propostas. Estratégias de cascata, paralelas e híbridas são apresentadas em detalhe, sendo que as estratégias híbridas consistem na combinação de estratégias em cascata e paralelas. São apresentados e analisados dois métodos distintos para a avaliação da função objetivo em processos de identificação de parâmetros. Os métodos considerados são uma análise com um ponto único ou uma análise com elementos finitos. A avaliação com base num único ponto caracteriza uma quantidade infinitesimal de material sujeito a uma determinada história de deformação. Por outro lado, na análise através de elementos finitos, o modelo constitutivo é implementado e considerado para cada ponto de integração. Problemas inversos são apresentados e descritos, como por exemplo, a definição geométrica de chapas e ferramentas. Considerando o caso da otimização da forma inicial de uma chapa metálica a definição da forma inicial de uma chapa para a conformação de um elemento de cárter é considerado como problema em estudo. Ainda neste âmbito, um estudo sobre a influência da definição geométrica inicial da chapa no processo de otimização é efetuado. Este estudo é realizado considerando a formulação de NURBS na definição da face superior da chapa metálica, face cuja geometria será alterada durante o processo de conformação plástica. No caso dos processos de otimização de ferramentas, um processo de forjamento a dois estágios é apresentado. Com o objetivo de obter um cilindro perfeito após o forjamento, dois métodos distintos são considerados. No primeiro, a forma inicial do cilindro é otimizada e no outro a forma da ferramenta do primeiro estágio de conformação é otimizada. Para parametrizar a superfície livre do cilindro são utilizados diferentes métodos. Para a definição da ferramenta são também utilizados diferentes parametrizações. As estratégias de otimização propostas neste trabalho resolvem eficientemente problemas de otimização para a indústria de conformação metálica.

Multilayered micro/nanocrystalline CVD diamond coatings for biotribology

In the present work multilayered micro/nanocrystalline (MCD/NCD) diamond coatings were developed by Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD). The aim was to minimize the surface roughness with a top NCD layer, to maximize adhesion onto the Si3N4 ceramic substrates with a starting MCD coating and to improve the mechanical resistance by the presence of MCD/NCD interfaces in these composite coatings. This set of features assures high wear resistance and low friction coefficients which, combined to diamond biocompatibility, set this material as ideal for biotribological applications. The deposition parameters of MCD were optimized using the Taguchi method, and two varieties of NCD were used: NCD-1, grown in a methane rich gas phase, and NCD-2 where a third gas, Argon, was added to the gas mixture. The best combination of surface pre-treatments in the Si3N4 substrates is obtained by polishing the substrates with a 15 μm diamond slurry, further dry etching with CF4 plasma for 10 minutes and final ultrasonic seeding in a diamond powder suspension in ethanol for 1 hour. The interfaces of the multilayered CVD diamond films were characterized with high detail using HRTEM, STEM-EDX and EELS. The results show that at the transition from MCD to NCD a thin precursor graphitic film is formed. On the contrary, the transition of the NCD to MCD grade is free of carbon structures other than diamond, as a result of the richer atomic hydrogen content and of the higher substrate temperature for MCD deposition. At those transitions, WC nanoparticles were found due to contamination from the filament, being also present at the first interface of the MCD layer with the silicon nitride substrate. In order to study the adhesion and mechanical resistance of the diamond coatings, indentation and particle jet blasting tests were conducted, as well as tribological experiments with homologous pairs. Indentation tests proved the superior behaviour of the multilayered coatings that attained a load of 800 N without delamination, when compared to the mono and bilayered ones. The multilayered diamond coatings also reveal the best solid particle erosion resistance, due to the MCD/NCD interfaces that act as crack deflectors. These results were confirmed by an analytical model on the stress field distribution based on the von Mises criterion. Regarding the tribological testing under dry sliding, multilayered coatings also exhibit the highest critical load values (200N for Multilayers with NCD-2). Low friction coefficient values in the range μ=0.02- 0.09 and wear coefficient values in the order of ~10-7 mm3 N-1 m-1 were obtained for the ball and flat specimens indicating a mild wear regime. Under lubrication with physiological fluids (HBSS e FBS), lower wear coefficient values ~10-9-10-8 mm3 N-1 m-1) were achieved, governed by the initial surface roughness and the effective contact pressure.