Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta dissertação.

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.

Análise dinâmica e verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias mistas (aço-concreto) submetidas ao tráfego de veículos sobre o pavimento irregular.

As pontes rodoviárias metálicas e mistas (aço-concreto) são submetidas a um grande número de carregamentos repetitivos de diferentes magnitudes, ao longo do tempo. Estas ações dinâmicas podem causar a nucleação de fraturas ou mesmo a propagação destas sobre o sistema estrutural. A depender da magnitude, estes efeitos podem comprometer o sistema estrutural e a sua confiabilidade, além de reduzir a vida útil das pontes. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foi investigada a resposta dinâmica de uma ponte mista (aço-concreto), simplesmente apoiada, com vão de 40,0 m, submetida ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Para tal um modelo numérico representativo do sistema estrutural foi desenvolvido com base no emprego do programa ANSYS, por meio do uso de técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para identificar, de forma qualitativa e quantitativa, o efeito das irregularidades do pavimento sobre o comportamento dinâmico da ponte mista investigada. Em seguida, a verificação do projeto à fadiga do sistema misto foi realizada, com base no emprego do algoritmo de contagem de ciclos Rainflow e em curvas S-N associadas às principais normas de projeto sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa alertam aos engenheiros estruturais para a possibilidade concreta acerca do aumento do dano por fadiga, relacionado às ações dinâmicas de veículos trafegando sobre o tabuleiro de pontes em aço e mistas (aço-concreto).

Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres.

Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto, onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas nestas situações.

Estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios de concreto armado.

Com base no crescimento exponencial das populações urbanas, a demanda por espaço para habitação tem crescido vertiginosamente. Para atender a estas necessidades, edificações cada vez mais altas e mais esbeltas são projetadas e vãos cada vez maiores são utilizados. Novos materiais são criados e aprimorados para que seja extraído o máximo de desempenho com o menor custo. Deste modo, esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento e otimização do projeto estrutural de edifícios. Para tal, considera-se ao longo do estudo o projeto de uma edificação de concreto armado com 47 metros de altura e 15 pavimentos, submetida às ações das cargas usuais de projeto atuantes sobre edifícios residenciais, além das cargas de vento. No que tange ao desenvolvimento do modelo computacional são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa ANSYS. Inicialmente, a resposta estática e dinâmica do modelo estrutural é obtida e comparada com base nos valores limites propostos por normas de projeto. A partir de análises qualitativas e quantitativas desenvolvidas sobre a resposta estrutural do modelo em estudo são utilizadas técnicas de otimização com o objetivo de modificar e aprimorar o desempenho estrutural do edifício analisado.

Estudo do comportamento estrutural e análise de conforto humano de edifícios de concreto armado.

Atualmente, os projetos de edifícios altos necessitam cada vez mais de sistemas estruturais simples, que agilizem sua montagem, reduzindo os custos e promovendo maior flexibilidade de utilização para os espaços construídos. Com essa finalidade, estruturas com poucas vigas vêm sendo muito utilizadas. Entretanto, o sistema estrutural com poucas vigas pode ocasionar dois tipos de problemas, relacionados entre si, a saber: diminuição do sistema de contraventamento da edificação e vibrações excessivas. Portanto, é fundamental, nesses casos, a verificação da estabilidade global da estrutura, utilizando índices de sensibilidade além de outros parâmetros de projeto, como também, o desenvolvimento de um estudo minucioso acerca do conforto humano da edificação. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foram investigados quatro modelos estruturais de edifícios altos de concreto armado, com base no estudo da variação entre o número de pavimentos e a quantidade de vigas existentes em cada modelo, objetivando-se verificar quais os efeitos que tais variações podem vir a gerar sobre a estabilidade global e, bem como, sobre o conforto humano dos sistemas estruturais investigados. A modelagem numérica dos edifícios em estudo foi realizada através do emprego do programa ANSYS e, para tal, foram utilizadas técnicas básicas de discretização, por meio do método dos elementos finitos. As conclusões alcançadas ao longo da investigação versam acerca do estudo da resposta estrutural estática e dinâmica dos edifícios, no que diz respeito as variações dos valores dos parâmetros de instabilidade, dos valores dos deslocamentos e esforços, e, bem como, dos níveis de conforto humano de cada modelo estrutural analisado.

Avaliação de ligações tubulares tipo T entre CHS com reforço tipo chapa.

Os perfis tubulares sem costura são utilizados em diversos países, principalmente devido às vantagens associadas à estética a sua elevada resistência à torção, cargas axiais e efeitos combinados. Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda utilizam de forma veemente estas estruturas e possuem produção contínua e industrializada com alto nível de desenvolvimento tecnológico. O Brasil, porém, se limitava praticamente ao uso destes perfis nas coberturas espaciais. Devido ao aumento da utilização desses tipos de estruturas, fez-se necessário o aprofundamento dos estudos com métodos de análise coerentes para utilização de perfis tubulares, principalmente em relação às ligações, pois são consideradas regiões vulneráveis neste tipo de estrutura. Para atender a necessidade de normatização deste procedimento desenvolveu-se uma norma brasileira específica para o dimensionamento de estruturas em perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo T com reforço tipo chapa com perfis tubulares circulares (CHS) para o banzo e para o montante efetuada com base na norma europeia, Eurocode 3, no CIDECT, na NBR 16239:2013 e ISO 14346. Desenvolveu-se no programa Ansys um modelo de elementos finitos para cada tipo de ligação analisada, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. Verificou-se a influência da compressão 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 nãolinearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises através da lei constitutiva tensão versus deformação bilinear de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizada. A análise dos esforços resistentes obtidos em comparação com os resultados do modelo numérico, apresentaram valores a favor da segurança no cálculo utilizando as equações de dimensionamento. Por fim um estudo para fatores de correção das equações de dimensionamento foi também proposto.

Modelagem do comportamento estrutural estático e dinâmico e avaliação de conforto humano de edifícios de concreto armado.

Nas últimas décadas, a partir do crescimento substancial da população das grandes cidades, a demanda por espaço para habitação tem crescido de maneira importante. Para atender a estas necessidades, edificações cada vez mais altas e mais esbeltas são projetadas e vãos cada vez maiores são utilizados. Novos materiais são criados e aprimorados para que seja extraído o máximo de desempenho com o menor custo. Deste modo, esta dissertação tem como objetivo o estudo do comportamento estrutural e avaliação de conforto humano de edifícios de concreto armado. Para tal, são considerados ao longo do estudo quatro projetos de edificações de concreto armado distintos, com alturas variando na faixa de 30m a 70m (11 a 24 pavimentos), submetidos às ações das cargas usuais de projeto atuantes sobre edifícios residenciais, além das cargas de vento. No que tange ao desenvolvimento dos modelos computacionais são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos, por meio do programa ANSYS. Inicialmente, a resposta estrutural estática (deslocamentos e esforços) e dinâmica (acelerações de pico) dos modelos é obtida e comparada com base nos valores limites propostos por normas e recomendações de projeto. A partir de análises qualitativas e quantitativas desenvolvidas sobre a resposta dos modelos em estudo o desempenho estrutural dos edifícios analisados é avaliado, no que diz respeito ao conforto humano.

The design of multi-element airfoils through multi-objective optimization techniques

This paper presents the development and the application of a multi-objective optimization framework for the design of two-dimensional multi-element high-lift airfoils. An innovative and efficient optimization algorithm, namely Multi-Objective Tabu Search (MOTS), has been selected as core of the framework. The flow-field around the multi-element configuration is simulated using the commercial computational fluid dynamics (cfd) suite Ansys cfx. Elements shape and deployment settings have been considered as design variables in the optimization of the Garteur A310 airfoil, as presented here. A validation and verification process of the cfd simulation for the Garteur airfoil is performed using available wind tunnel data. Two design examples are presented in this study: a single-point optimization aiming at concurrently increasing the lift and drag performance of the test case at a fixed angle of attack and a multi-point optimization. The latter aims at introducing operational robustness and off-design performance into the design process. Finally, the performance of the MOTS algorithm is assessed by comparison with the leading NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm) optimization strategy. An equivalent framework developed by the authors within the industrial sponsor environment is used for the comparison. To eliminate cfd solver dependencies three optimum solutions from the Pareto optimal set have been cross-validated. As a result of this study MOTS has been demonstrated to be an efficient and effective algorithm for aerodynamic optimizations. Copyright © 2012 Tech Science Press.

Application of scalar dissipation rate model to siemens DLE combustors

The standard design process for the Siemens Industrial Turbomachinery, Lincoln, Dry Low Emissions combustion systems has adopted the Eddy Dissipation Model with Finite Rate Chemistry for reacting computational fluid dynamics simulations. The major drawbacks of this model have been the over-prediction of temperature and lack of species data limiting the applicability of the model. A novel combustion model referred to as the Scalar Dissipation Rate Model has been developed recently based on a flamelet type assumption. Previous attempts to adopt the flamelet philosophy with alternative closure models have failed, with the prediction of unphysical phenomenon. The Scalar Dissipation Rate Model (SDRM) was developed from a physical understanding of scalar dissipation rate, signifying the rate of mixing of hot and cold fluids at scales relevant to sustain combustion, in flames and was validated using direct numerical simulations data and experimental measurements. This paper reports on the first industrial application of the SDRM to SITL DLE combustion system. Previous applications have considered ideally premixed laboratory scale flames. The industrial application differs significantly in the complexity of the geometry, unmixedness and operating pressures. The model was implemented into ANSYS-CFX using their inbuilt command language. Simulations were run transiently using Scale Adaptive Simulation turbulence model, which switches between Large Eddy Simulation and Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes using a blending function. The model was validated in a research SITL DLE combustion system prior to being applied to the actual industrial geometry at real operating conditions. This system consists of the SGT-100 burner with a glass square-sectioned combustor allowing for detailed diagnostics. This paper shows the successful validation of the SDRM against time averaged temperature and velocity within measurement errors. The successful validation allowed application of the SDRM to the SGT-100 twin shaft at the relevant full load conditions. Limited validation data was available due to the complexity of measurement in the real geometry. Comparison of surface temperatures and combustor exit temperature profiles showed an improvement compared to EDM/FRC model. Furthermore, no unphysical phenomena were predicted. This paper presents the successful application of the SDRM to the industrial combustion system. The model shows a marked improvement in the prediction of temperature over the EDM/FRC model previously used. This is of significant importance in the future applications of combustion CFD for understanding of hardware mechanical integrity, combustion emissions and dynamics of the flame. Copyright © 2012 by ASME.

Computational engineering design for micro-scale combustion devices: A thermally improved configuration

A multi-objective design optimisation study has been carried out with the objectives to improve the overall efficiency of the device and to reduce the fuel consumption for the proposed micro-scale combustor design configuration. In a previous study we identified the topology of the combustion chamber that produced improved behaviour of the device in terms of the above design criteria. We now extend our design approach, and we propose a new configuration by the addition of a micro-cooling channel that will improve the thermal behaviour of the design as previously suggested in literature. Our initial numerical results revealed an improvement of 2.6% in the combustion efficiency when we applied the micro-cooling channel to an optimum design configuration we identified from our earlier multi-objective optimisation study, and under the same operating conditions. The computational modelling of the combustion process is implemented in the commercial computational fluid dynamics package ANSYS-CFX using Finite Rate Chemistry and a single step hydrogen-air reaction. With this model we try to balance good accuracy of the combustion solution and at the same time practicality within the context of an optimisation process. The whole design system comprises also the ANSYS-ICEM CFD package for the automatic geometry and mesh generation and the Multi-Objective Tabu Search algorithm for the design space exploration. We model the design problem with 5 geometrical parameters and 3 operational parameters subject to 5 design constraints that secure practicality and feasibility of the new optimum design configurations. The final results demonstrate the reliability and efficiency of the developed computational design system and most importantly we assess the practicality and manufacturability of the revealed optimum design configurations of micro-combustor devices. Copyright © 2013 by ASME.

Study of GaN growth on ultra-thin Si membranes

10 mu m-thick ultra-thin Si (111) membranes for GaN epi-layers growth were successfully fabricated on silicon-on-insulator (SOI) substrate by backside etching the handle Si and buried oxide (BOX) layer. Then 1 mu m-thick GaN layers were deposited on these Si membranes by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). The crack-free areas of 250 mu m, x 250 mu m were obtained on the GaN layers due to the reduction of thermal stress by using these ultra-thin Si membranes, which was further confirmed by the photoluminescence (PL) spectra and the simulation results from the finite element method calculation by using the software of ANSYS. In this paper, a newly developed approach was demonstrated to utilize micromechanical structures for GaN growth, which would improve the material quality of the epi-layers and facilitate GaN-based micro electro-mechanical system (MEMS) fabrication, especially the pressure sensor, in the future applications. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圆拱直墙式水窖应力分析与结构优化

基于ANSYS软件平台新开发的窖体有限元分析软件,对圆拱直墙式水窖空间结构进行分析,计算了水窖的应力分布规律,以水窖耗材量最小为目标函数,以许用应力为约束条件,对不同容积的水窖几何尺寸进行了优化分析。结果表明:窖体直墙底部采用圆角的最大应力远小于采用直角的最大应力;利用混凝土作建窖材料,将引起压应力浪费,因此有必要开发窖体新材料。

Analysis of Si/GaAs Bonding Stresses with the Finite Element Method

In conjunction with ANSYS, we use the finite element method to analyze the bonding stresses of Si/GaAs. We also apply a numerical model to investigate a contour map and the distribution of normal stress,shearing stress,and peeling stress,taking into full consideration the thermal expansion coefficient as a function of temperature. Novel bonding structures are proposed for reducing the effect of thermal stress as compared with conventional structures. Calculations show the validity of this new structure.

异质外延自组织锥形量子点长程相互作用对弹性应变场分布的影响

利用有限元法，在ANSYS环境下，利用二维模型对自组织应变外延异质结锥形量子点的应力应变分布情况进行了系统分析。分析过程分别考虑了孤立锥形量子点系统、单层多量子点系统以及量子点超晶格系统三种情况，结果表明，单层和超品格多量子点系统衬底之间存在的长程相互作用力对量子点及其周围的应力应变分布有显著影响。在计算应变对多量子点系统的电子结构的影响时，必须将多量子点之间的相互作用对应变的贡献考虑进去。