Shape effects on the yield stress and deformation of silicon nanowires: A molecular dynamics simulation

The tension and compression of single-crystalline silicon nanowires (SiNWs) with different cross-sectional shapes are studied systematically using molecular dynamics simulation. The shape effects on the yield stresses are characterized. For the same surface to volume ratio, the circular cross-sectional SiNWs are stronger than the square cross-sectional ones under tensile loading, but reverse happens in compressive loading. With the atoms colored by least-squares atomic local shear strain, the deformation processes reveal that the failure modes of incipient yielding are dependent on the loading directions. The SiNWs under tensile loading slip in {111} surfaces, while the compressive loading leads the SiNWs to slip in the {110} surfaces. The present results are expected to contribute to the design of the silicon devices in nanosystems.

Confiabilidade operacional de Estação de Tratamento de Efluentes Industriais (ETEI) de refinaria de petróleo: estudo de caso.

O projeto de Estações de Tratamento de Efluentes Industriais (ETEIs) deve objetivar um desempenho médio, o qual não pode ser ultrapassado certo número de vezes durante seu tempo operacional. Este trabalho propõe a aplicação da metodologia conhecida como Coeficiente de Confiabilidade (CDC) para quantificação da confiabilidade das etapas de tratamento físico (Separação Águaóleo SAO e flotação) e biológico (lodos ativados com aeração prolongada), considerando efluente oleoso proveniente de refino de petróleo. Tal metodologia, entretanto, não possibilita a identificação das prováveis causas do baixo desempenho na tratabilidade. Por isso também é proposta a aplicação da ferramenta de gestão riscos conhecida como FMECA (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis), que permite a quantificação das observações qualitativas de campo, tornando os valores comparáveis para definir a hierarquização dos riscos e criticidade das etapas de tratamento estudadas. A etapa biológica para o parâmetro NH3 apresentou a maior confiabilidade, ainda que a análise de risco tenha apontado esta etapa como mais crítica. Ou seja, um sistema confiável não necessariamente apresenta menor criticidade, pois uma má gestão implicará em possíveis infrações às metas pré-fixadas ou à própria legislação ambiental.

Avaliação de ligações entre vigas de perfil I ou H e colunas em perfis tubulares circulares.

Considerando uma nova realidade com o incremento do uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações soldadas tipo T com perfis tubulares circulares (CHS) para a coluna e perfil I ou H para a viga com flexão no plano, efetuado com base nas normas EC3, CIDECT e a NBR 16239 comparando com o critério de deformação limite, proposto por Lu et al., através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys versão 12.0. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Com base nos resultados numéricos avaliados foram traçadas curvas momento-rotação para cada modelo com o objetivo de obter o momento resistente de cada ligação bem como a classificação da ligação quanto a capacidade de rotação, a influência dos parâmetros geométricos em cada modelo e o modo de falha que controlará o dimensionamento da ligação.

Avaliação de ligações entre perfis tubulares em aço submetidas a esforços de flexão.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis na construção civil era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. Considerando uma nova realidade para o uso de perfis tubulares, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com perfis tubulares quadrados (SHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346 através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Verificou-se a influência do momento atuante no montante no comportamento global das ligações. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação trilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A nãolinearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado. Os resultados numéricos são avaliados para a ligação em estudo quanto aos modos de falha e a distribuição de tensões. A análise dos momentos resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentou valores excessivamente a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento é proposto.

Comportamento estrutural de vigas casteladas em aço inoxidável.

As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

Estudo e desenvolvimento de um modelo de análise de risco para Radiocirurgia intracraniana

Mundialmente, eventos relatados constituídos por incidentes e acidentes em radioterapia, tem aumentado ao longo dos últimos 25 anos e a maioria destes eventos são resultados de falha humana, além de terem ocorrido com maior frequência em centros sofisticados que utilizam alta tecnologia. Em radioterapia a Gestão da Qualidade necessita de uma abordagem prospectiva através de análise de risco. Esta abordagem é defendida por recentes publicações por ser atualmente uma urgência em virtude do expressivo número de acidentes ocorridos. Dada a complexidade do processo em radioterapia, a busca pela qualidade do tratamento de forma a garantir a segurança do paciente é um dos assuntos mais discutidos mundialmente. Embora apenas 14% dos centros de radioterapia no Brasil ofereçam tratamentos com a técnica de radiocirurgia intracranial (SRS), estudos relativos a qualidade do tratamento relacionada a segurança do paciente submetido à esta técnica, é de relevante importância, pois qualquer desvio da dose prescrita é considerado muito mais crítico que em outras modalidades de tratamento radioterápico, já que são utilizadas altas doses de radiação que em geral variam de 10 Gy a 40 Gy para lesões até 50 mm de diâmetro, que são aplicadas em uma única fração ou até cinco frações. Tendo em vista tais conhecimentos, o objetivo deste trabalho foi atender um novo paradigma de Gestão da Qualidade, através do desenvolvimento de um modelo de análise de risco e de um Índice de Qualidade para a SRS no Brasil, a partir da técnica de Mapa do Processo e FMEA utilizadas pelo TG 100/AAPM. O trabalho foi desenvolvido em três centros de radioterapia de referência em alta tecnologia, dois localizados no Rio de Janeiro e um em São Paulo. Um Mapa do Processo de SRS foi identificado em cada centro de radioterapia e em seguida foi aplicada a técnica FMEA para todos os subprocessos identificados no mapa. A partir dos valores de NPR obtidos pela FMEA foi realizado um ranqueamento dos modos de falha. Modos de falha com NPR ≥ 100 e S ≥ 7 foram escolhidos como prioridade para implementação de estratégias de segurança. A partir das pontuações do parâmetro S atribuídas na aplicação da FMEA foi criado o Índice de Severidade (IS) e um Índice de Qualidade (IQ) foi criado a partir de uma relação entre o NPR e o IS. O resultado deste estudo, indica que as estratégias de segurança sejam implementadas para os 10 primeiros modos de falha do ranking e uma reavaliação do processo deve ocorrer a cada 1 ano. É também indicado que o IQ obtenha uma melhora mínima de 9% após a reavaliação do processo. De forma geral, o estudo mostrou que a adoção da ferramenta FMEA juntamente com o IQ são de fato justificadas, por minimizar os riscos para o paciente, melhorando a qualidade do tratamento aprimorando a segurança, criando mecanismos que permitam a garantia de que a dose será entregue de forma precisa e exata, e consequentemente, aumentando as chances de cura ou do controle local com uma desejada qualidade de vida para estes pacientes.

The development of a hot rolling process for variable cross-section I-beams

To meet targeted reductions in CO 2 emissions by 2050, demand for metal must be cut, for example through the use of lightweight technologies. However, the efficient production of weight optimized components often requires new, more flexible forming processes. In this paper, a novel hot rolling process is presented for forming I-beams with variable cross-section, which are lighter than prismatic alternatives. First, the new process concept is presented and described. A detailed computational and experimental analysis is then conducted into the capabilities of the process. Results show that the process is capable of producing defect free I-beams with variations in web depth of 30-50%. A full analysis of the process then indicates the likely failure modes, and identifies a safe operating window. Finally, the implications of these results for producing lightweight beams are discussed. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

The soft impact of composite sandwich beams with a square-honeycomb core

The dynamic response of end-clamped monolithic beams and sandwich beams of equal areal mass have been measured by loading the beams at mid-span with metal foam projectiles to simulate localised blast loading. The sandwich beams were made from carbon fibre laminate and comprised identical face sheets and a square-honeycomb core. The transient deflection of the beams was determined as a function of projectile momentum, and the measured response was compared with finite element simulations based upon a damage mechanics approach. A range of failure modes were observed in the sandwich beams including core fracture, plug-type shear failure of the core, debonding of the face sheets from the core and tensile tearing of the face sheets at the supports. In contrast, the monolithic beams failed by a combination of delamination of the plies and tensile failure at the supports. The finite element simulations of the beam response were accurate provided the carbon fibre properties were endowed with rate sensitivity of damage growth. The relative performance of monolithic and sandwich beams were quantified by the maximum transverse deflection at mid-span for a given projectile momentum. It was found that the sandwich beams outperformed both monolithic composite beams and steel sandwich beams with a square-honeycomb core. However, the composite beams failed catastrophically at a lower projectile impulse than the steel beams due to the lower ductility of the composite material. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mechanical response of carbon fiber composite sandwich panels with pyramidal truss cores

The combination of light carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite materials with structurally efficient sandwich panel designs offers novel opportunities for ultralight structures. Here, pyramidal truss sandwich cores with relative densities ρ̄ in the range 1-10% have been manufactured from carbon fiber reinforced polymer laminates by employing a snap-fitting method. The measured quasi-static shear strength varied between 0.8 and 7.5 MPa. Two failure modes were observed: (i) Euler buckling of the struts and (ii) delamination failure of the laminates. Micro-buckling failure of the struts was not observed in the experiments reported here while Euler buckling and delamination failures occurred for the low (ρ̄≤1%) and high (ρ̄>1%) relative density cores, respectively. Analytical models for the collapse of the composite cores by these failure modes are presented. Good agreement between the measurements and predictions based on the Euler buckling and delamination failure of the struts is observed while the micro-buckling analysis over-predicts the measurements. The CFRP pyramidal cores investigated here have a similar mechanical performance to CFRP honeycombs. Thus, for a range of multi-functional applications that require an "open-celled" architecture (e.g. so that cooling fluid can pass through a sandwich core), the CFRP pyramidal cores offer an attractive alternative to honeycombs. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tensile strength of UD-composite laminates with multiple holes

The residual strength of glass fibre reinforced vinyl-ester laminates with multiple holes was investigated through an experimental programme. Different types of structured hole patterns and hole densities were investigated and analysed using digital image correlation strain measuring technique. Three different failure modes could be observed when the hole patterns and the hole densities were a altered. These three failure modes were used as the foundation for a simple yet effective analytical model in order to predict the residual strength of damaged composite specimens. Finally, a number of laminates with randomly distributed holes were tested experimentally. The analytical model can predict the failure mode and failure strength of the experiments with sufficiently good fidelity. © 2010 Elsevier Ltd.

Strength of GRP-laminates with multiple fragment damages

The strength of glass fibre reinforced vinyl-ester laminates with multiple holes has been investigated experimentally. Different hole pattern configurations have been tested, primarily for unidirectional laminates. Unidirectional laminates have shown very low notch sensitivity and the laminate failure was governed by two competing failure modes; shear off failure and net section tensile failure.

The forming of variable cross-section I-beams by hot rolling

A process is presented for the forming of variable cross-section I-beams by hot rolling. Optimized I-beams with variable cross-section offer a significant weight advantage over prismatic beams. By tailoring the cross-section to the bending moment experienced within the beam, around 30% of the material can be saved compared to a standard section. Production of such beams by hot rolling would be advantageous, as It combines high volume capacity with high material yields. Through controlled variation of the roll gap during multiple passes, beams with a variable cross-section have been created using shaped rolls similar to those used for conventional I-beam rolling. The process was tested experimentally on a small scale rolling mill, using plasticine as the modelling material. These results were then compared to finite element simulations of individual stages of the process conducted using Abaqus/Standard. Results here show that the process can successfully form a beam with a variable depth web. The main failure modes of the process, and the limitations on the achievable variations In geometry are also presented. Finally, the question of whether or not optimal beam geometries can be created by this process Is discussed. © 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim.

Tensile and compressive mechanical behavior of twinned silicon carbide nanowires

Molecular dynamics simulations with the Tersoff potential were used to study the response of twinned SiC nanowires under tensile and compressive strain. The critical strain of the twinned nanowires can be enhanced by twin stacking faults, and their critical strains are larger than those of perfect nanowires with the same diameters. Under axial tensile strain, the bonds of the nanowires are stretched just before failure. The failure behavior is found to depend on the twin segment thickness and the diameter of the nanowires. An atomic chain is observed for thin nanowires with small twin segment thickness under tension strain. Under axial compressive strain, the collapse of twinned SiC nanowires exhibits two different failure modes, depending on the length and diameter of the nanowires, i.e., shell buckling for short nanowires and columnar buckling for longer nanowires.

Interface delamination of the thermal barrier coating subjected to local heating

To investigate the possible failure modes of the thermal barrier coating (TBC) used to protect the scramjet combustion chamber, the local heating via laser beam irradiation was utilized to simulate the service condition of high thermal flux and high temperature gradient. Firstly, the experimental method and process were described and the typical fracture morphology of the TBC under test were provided. Then, the theoretical and finite element modeling were carried out to study the temperature, deformation and stresses of the specimen when the top ceramic coat was subjected to local heating, and to demonstrate the mechanism on the failure of the TBC. It is revealed that the interface delamination shall appear and ultimately lead to the failure of the TBC under such thermal loading of local quick heating. According to the outcome of this study, the driving force of the interface delamination is influenced greatly by the key structural parameters and performance matching. Moreover, by utilizing the rules of the effects of these parameters on the fracture driving force, there is some possibility for the designer to optimize the performances of the TBC.