Aplicação de indentação instrumentada na caracterização mecânica de poliuretana derivada de óleo de mamona

Neste trabalho são investigadas as propriedades mecânicas de poliuretana derivada do óleo de mamona, utilizando a técnica de indentação instrumentada com penetradores de geometrias piramidal e esférica. Foi analisada a influência da forma do penetrador utilizado nos ensaios de indentação instrumentada para se obter valores das propriedades mecânicas de polímero derivado de óleo de mamona. Os penetradores utilizados são de pontas piramidais dos tipos Berkovich e canto de cubo e esférico de raio igual a 150 μm em um Nanoindenter XP TM com cargas aplicadas entre 1 e 200 mN. As penetrações variam de acordo com o formato do penetrador, sendo maiores para pontas agudas. A dureza e o módulo de elasticidade foram determinados, utilizando o método de Oliver e Pharr. Verificou-se que os valores medidos para a dureza são maiores para penetradores mais agudos. Os valores obtidos com a ponta piramidal Berkovich foram de 0,14 GPa para pequenas penetrações e 0,12 GPa para maiores penetrações. Já os valores obtidos com ponta canto de cubo foram 25 a 30% maiores. Isso está relacionado com os volumes das regiões que apresentam deformações plásticas elevadas, no caso de penetradores agudos comparados com os volumes das regiões que sofrem deformações viscoelásticas. A viscosidade aparente determinada, utilizando penetrador esférico em testes de força aplicada constante, é igual a (22 ± 2) × 10(12) Pa.s.

Modification of the in vivo four-point loading model for studying mechanically induced bone adaptation

We modified the noninvasive, in vivo technique for strain application in the tibiae of rats (Turner et al,, Bone 12:73-79, 1991), The original model applies four-point bending to right tibiae via an open-loop, stepper-motor-driven spring linkage, Depending on the magnitude of applied load, the model produces new bone formation at periosteal (Ps) or endocortical surfaces (Ec.S). Due to the spring linkage, however, the range of frequencies at which loads can be applied is limited. The modified system replaces this design with an electromagnetic vibrator. A load transducer in series with the loading points allows calibration, the loaders' position to be adjusted, and cyclic loading completed under load central as a closed servo-loop. Two experiments were conducted to validate the modified system: (1) a strain gauge was applied to the lateral surface of the right tibia of 5 adult female rats and strains measured at applied loads from 10 to 60 N; and (2) the bone formation response was determined in 28 adult female Sprague-Dawley rats. Loading was applied as a haversine wave with a frequency of 2 Hz for 18 sec, every second day for 10 days. Peak bending loads mere applied at 33, 40, 52, and 64 N, and a sham-loading group tr as included at 64 N, Strains in the tibiae were linear between 10 and 60 N, and the average peak strain at the Ps.S at 60 N was 2664 +/- 250 microstrain, consistent with the results of Turner's group. Lamellar bone formation was stimulated at the Ec.S by applied bending, but not by sham loading. Bending strains above a loading threshold of 40 N increased Ec Lamellar hone formation rate, bone forming surface, and mineral apposition rate with a dose response similar to that reported by Turner et al, (J Bone Miner Res 9:87-97, 1994). We conclude that the modified loading system offers precision for applied loads of between 0 and 70 N, versatility in the selection of loading rates up to 20 Hz, and a reproducible bone formation response in the rat tibia, Adjustment of the loader also enables study of mechanical usage in murine tibia, an advantage with respect to the increasing variety of transgenic strains available in bone and mineral research. (Bone 23:307-310; 1998) (C) 1998 by Elsevier Science Inc. All rights reserved.

From local to global importance measures of uncertainty propagation in composite structures

The influence of uncertainties of input parameters on output response of composite structures is investigated in this paper. In particular, the effects of deviations in mechanical properties, ply angles, ply thickness and on applied loads are studied. The uncertainty propagation and the importance measure of input parameters are analysed using three different approaches: a first-order local method, a Global Sensitivity Analysis (GSA) supported by a variance-based method and an extension of local variance to estimate the global variance over the domain of inputs. Sample results are shown for a shell composite laminated structure built with different composite systems including multi-materials. The importance measures of input parameters on structural response based on numerical results are established and discussed as a function of the anisotropy of composite materials. Needs for global variance methods are discussed by comparing the results obtained from different proposed methodologies. The objective of this paper is to contribute for the use of GSA techniques together with low expensive local importance measures.

Desenvolvimento de programa em linguagem Matlab® para cálculo pelo método de elementos finitos

Para o projeto de qualquer estrutura existente (edifícios, pontes, veículos, máquinas, etc.) é necessário conhecer as condições de carga, geometria e comportamento de todas as suas partes, assim como respeitar as normativas em vigor nos países nos quais a estrutura será aplicada. A primeira parte de qualquer projeto nesta área passa pela fase da análise estrutural, onde são calculadas todas as interações e efeitos de cargas sobre as estruturas físicas e os seus componentes de maneira a verificar a aptidão da estrutura para o seu uso. Inicialmente parte-se de uma estrutura de geometria simplificada, pondo de parte os elementos físicos irrelevantes (elementos de fixação, revestimentos, etc.) de maneira a simplificar o cálculo de estruturas complexas e, em função dos resultados obtidos da análise estrutural, melhorar a estrutura se necessário. A análise por elementos finitos é a ferramenta principal durante esta primeira fase do projeto. E atualmente, devido às exigências do mercado, é imprescindível o suporte computorizado de maneira a agilizar esta fase do projeto. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura em análise. Porém, estes programas demostram uma certa complexidade durante a introdução dos parâmetros, levando muitas vezes a resultados errados. Assim sendo, é essencial para o projetista ter uma ferramenta fiável e simples de usar que possa ser usada para fins de projeto de estruturas e otimização. Sobre esta base nasce este projeto tese onde se elaborou um programa com interface gráfica no ambiente Matlab® para a análise de estruturas por elementos finitos, com elementos do tipo Barra e Viga, quer em 2D ou 3D. Este programa permite definir a estrutura por meio de coordenadas, introdução de forma rápida e clara, propriedades mecânicas dos elementos, condições fronteira e cargas a aplicar. Como resultados devolve ao utilizador as reações, deformações e distribuição de tensões nos elementos quer em forma tabular quer em representação gráfica sobre a estrutura em análise. Existe ainda a possibilidade de importação de dados e exportação dos resultados em ficheiros XLS e XLSX, de maneira a facilitar a gestão de informação. Foram realizados diferentes testes e análises de estruturas de forma a validar os resultados do programa e a sua integridade. Os resultados foram todos satisfatórios e convergem para os resultados de outros programas, publicados em livros, e para cálculo a mão feitos pelo autor.

Estudo da resistência de juntas adesivas em L entre alumínio e material compósito

As ligações adesivas são frequentemente utilizadas na fabricação de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça, a fim de proporcionar uma união estrutural que, teoricamente, deve ser pelo menos tão resistente como o material de base. As juntas adesivas têm vindo a substituir métodos como a soldadura, e ligações parafusadas e rebitadas, devido à facilidade de fabricação, menor custo, facilidade em unir materiais diferentes, melhor resistência, entre outras características. Os materiais compósitos reforçados com fibra de carbono são amplamente utilizados em muitas indústrias, tais como de construção de barcos, automóvel e aeronáutica, sendo usados em estruturas que requerem elevada resistência e rigidez específicas, o que reduz o peso dos componentes, mantendo a resistência e rigidez necessárias para suportar as diversas cargas aplicadas. Embora estes métodos de fabricação reduzam ao máximo as ligações através de técnicas de fabrico avançadas, estas ainda são necessárias devido ao tamanho dos componentes, limitações de projecto tecnológicas e logísticas. Em muitas estruturas, a combinação de compósitos com metais tais como alumínio ou titânio traz vantagens de projecto. Este trabalho tem como objectivo estudar, experimentalmente e por modelos de dano coesivo (MDC), juntas adesivas em L entre componentes de alumínio e compósito de carbono epóxido quando solicitados a forças de arrancamento, considerando diferentes configurações de junta e adesivos de ductilidade distinta. Os parâmetros geométricos abordados são a espessura do aderente de alumínio (tP2) e comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica permitiu o estudo da distribuição das tensões, evolução do dano, resistência e modos de rotura. Os testes experimentais validam os resultados numéricos e fornecem mecanismos de projecto para juntas em L. Foi mostrado que a geometria do aderente em L (alumínio) e o tipo de adesivo têm uma influência directa na resistência de junta.

Wear of PEEK-Ti6Al4V systems under micro-abrasion and linear sliding conditions

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica

Desenvolvimento de modelos numéricos e análise experimental de subestruturas soldadas de transformadores de potência, sujeitas a forças de curto-circuito em regime transitório

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

Comportamiento tribomecánico de sistemas de sustrato: recubrimiento duros

En aplicaciones como la conformación en frío, donde los metales duros recubiertos con películas de naturaleza cerámica son ampliamente empleados, la existencia de un contacto mecánico repetitivo induce tensiones Hertzianas y origina el fallo por fatiga. En este trabajo, se investigan diversos recubrimientos cerámicos depositados por deposición física desde fase vapor sobre calidades diferentes de metal duro y un acero rápido pulvimetalúrgico para evaluar sus respectivas respuesta al contacto y comportamiento a fatiga. El trabajo experimental incluye la caracterización de los sistemas mediante ensayos de rayado y nanoindentación y la evaluación de las curvas tensión-deformación de indentación esférica de los sustratos, tanto desnudos como recubiertos, poniendo especial atención en determinar las tensiones de contacto críticas asociadas a la deformación plástica y a la aparición de grietas circulares en la superficie recubierta. A este estudio, le siguen numerosos ensayos a fatiga a cargas inferiores a aquéllas identificadas como críticas bajo carga monotónica y para un número de ciclos comprendido entre 1.000 y 1.000.000 de ciclos. Los resultados experimentales indican que las películas cerámicas no parecen desempeñar un papel relevante en la aparición de la cedencia plástica, siendo la deformación plástica global controlada por la deformación del sustrato. No obstante, para tensiones elevadas de indentación durante el régimen plástico, existe la aparición de grietas circulares en los recubrimientos cerámicos. Además, la aparición de las mismas es sensible a la fatiga por contacto. Este análisis mecánico se complementa con una inspección detallada del daño generado en profundidad y superficie.

Avaliação do comportamento em fadiga de juntas estruturais de ligas de Al2024T3 coladas com adesivo epóxi

Ligas de alumínio são extensamente usadas em partes aeronáuticas devido às boas propriedades mecânicas e baixa densidade. Estas partes devem ser unidas para formar conjuntos maiores. Uma junta estrutural é definida como um segmento de estrutura que provê um meio de transferir carga de um elemento estrutural para outro. A maioria das juntas aeronáuticas é mecanicamente fixada com múltiplos prendedores (parafusos ou rebites). Estas juntas apresentam uma alta concentração de tensões ao redor do prendedor, porque a transferência de carga entre elementos da junta acontece em uma fração da área disponível. Por outro lado, as cargas aplicadas em juntas adesivas são distribuídas sobre toda a área colada e reduz os pontos de concentração de tensão. Juntas são a fonte mais comum de falhas estruturais em aeronaves e quase todos os reparos envolvem juntas. Portanto, é importante entender todos os aspectos de projeto e análise de juntas. O objetivo deste trabalho é comparar estaticamente juntas estruturais de ligas de Al2024-T3 em três condições: juntas mecanicamente rebitadas, juntas coladas e uma configuração híbrida rebitada e colada. Foi usada a norma NASM 1312-4 para confecção dos corpos-de-prova. Além disso, foram conduzidos testes de fadiga, sob amplitude de carregamento constante e razão de tensão igual a 0,1 para avaliar a eficiência dos elementos estruturais durante sua vida em serviço. Os resultados mostraram que a configuração híbrida apresenta maior resistência estática e uma vida em fadiga superior à configuração colada.

Calibration uncertainty estimation for internal aerodynamic balance

Aerodynamic balances are employed in wind tunnels to estimate the forces and moments acting on the model under test. This paper proposes a methodology for the assessment of uncertainty in the calibration of an internal multi-component aerodynamic balance. In order to obtain a suitable model to provide aerodynamic loads from the balance sensor responses, a calibration is performed prior to the tests by applying known weights to the balance. A multivariate polynomial fitting by the least squares method is used to interpolate the calibration data points. The uncertainties of both the applied loads and the readings of the sensors are considered in the regression. The data reduction includes the estimation of the calibration coefficients, the predicted values of the load components and their corresponding uncertainties, as well as the goodness of fit.

Corrosão e tribocorrosão de novas ligas Ti35Nb5Zr e Ti35Nb10Zr em saliva artificial

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise estrutural do suporte de pastilha de grafite para lubrificação de roda ferroviária

This study aims to structurally evaluate a support of graphite pastille for the lubrication of railway wheels. The proper lubrication of wheel flanges of the railway extends the life of this component, so it is very important that this occurs lubrication to reduce the costs involved in railway maintenance. To prepar the evaluation structural will be used to International Electrotechnical Comission standard (IEC 61373) establishing which load cases should be applied to this component. The applied loads on the support (accordance with IEC) are random accelerations and accelerations due to shocks, thus simulating the conditions that exist along the route of the train. The structural analyzes are performed by the finite element method, with the aid of the Cosmos software. Thus, it is possible to determine the stresses acting on the support, and so the allowable stresses compared with the standard proposed by the AISC. The stress in the structural analyzes are lower than allowable therefore considered for the configuration presented, unexpected structural problems

Three-Dimensional Finite Element Analysis of Stress Distribution on Different Bony Ridges With Different Lengths of Morse Taper Implants and Prosthesis Dimensions

This finite element analysis (FEA) compared stress distribution on different bony ridges rehabilitated with different lengths of morse taper implants, varying dimensions of metal-ceramic crowns to maintain the occlusal alignment. Three-dimensional FE models were designed representing a posterior left side segment of the mandible: group control, 3 implants of 11 mm length; group 1, implants of 13 mm, 11 mm and 5 mm length; group 2, 1 implant of 11 mm and 2 implants of 5 mm length; and group 3, 3 implants of 5 mm length. The abutments heights were 3.5 mm for 13- and 11-mm implants (regular), and 0.8 mm for 5-mm implants (short). Evaluation was performed on Ansys software, oblique loads of 365N for molars and 200N for premolars. There was 50% higher stress on cortical bone for the short implants than regular implants. There was 80% higher stress on trabecular bone for the short implants than regular implants. There was higher stress concentration on the bone region of the short implants neck. However, these implants were capable of dissipating the stress to the bones, given the applied loads, but achieving near the threshold between elastic and plastic deformation to the trabecular bone. Distal implants and/or with biggest occlusal table generated greatest stress regions on the surrounding bone. It was concluded that patients requiring short implants associated with increased proportions implant prostheses need careful evaluation and occlusal adjustment, as a possible overload in these short implants, and even in regular ones, can generate stress beyond the physiological threshold of the surrounding bone, compromising the whole system.

Evaluation of the micro-hardness and fracture toughness of amorphous and partially crystallized 3CaO center dot P2O5-SiO2-MgO bioglasses

In this work, the effect of the indentation load on the results of hardness and fracture toughness, determined by Vickers micro-hardness measurements, of some glasses and glass-ceramics has been investigated. Furthermore, in order to verify the effect of crystallinity on the results, glasses of composition 52.75 wt.% 3CaO center dot P2O5, 30 wt.% SiO2 and 17.25 wt.% MgO were fused at 1600 degrees C for 4 h and annealed at 700 degrees C for 2h, and further heat-treated at 700, 775, 800 and 900 degrees C for 4h. The obtained materials were analyzed by high resolution X-ray diffraction, HRXRD, to determine the crystallization degree in function of the heat-treatment temperature. The hardness of the different specimens was determined by Vickers' micro-hardness measurements under various loads. It has been observed that with increasing crystallization of the materials their hardness increased. Furthermore, it has been possible to verify the so-called indentation size effect (ISE), i.e. hardness decreases as the indentation depth, under higher loads, increases. This effect has been more pronounced in the glass-ceramic samples. Fracture toughness has been determined by the crack length induced by the Vickers indentations and relating them to the applied loads. Glass materials presented a fracture pattern with characteristics of cleavage, forming cracks of the half-penny shaped type, while the glass-ceramic materials exhibited crack bridging effects and Palmqvist type cracks. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Numerical methods for the dispersion analysis of Guided Waves

The use of guided ultrasonic waves (GUW) has increased considerably in the fields of non-destructive (NDE) testing and structural health monitoring (SHM) due to their ability to perform long range inspections, to probe hidden areas as well as to provide a complete monitoring of the entire waveguide. Guided waves can be fully exploited only once their dispersive properties are known for the given waveguide. In this context, well stated analytical and numerical methods are represented by the Matrix family methods and the Semi Analytical Finite Element (SAFE) methods. However, while the former are limited to simple geometries of finite or infinite extent, the latter can model arbitrary cross-section waveguides of finite domain only. This thesis is aimed at developing three different numerical methods for modelling wave propagation in complex translational invariant systems. First, a classical SAFE formulation for viscoelastic waveguides is extended to account for a three dimensional translational invariant static prestress state. The effect of prestress, residual stress and applied loads on the dispersion properties of the guided waves is shown. Next, a two-and-a-half Boundary Element Method (2.5D BEM) for the dispersion analysis of damped guided waves in waveguides and cavities of arbitrary cross-section is proposed. The attenuation dispersive spectrum due to material damping and geometrical spreading of cavities with arbitrary shape is shown for the first time. Finally, a coupled SAFE-2.5D BEM framework is developed to study the dispersion characteristics of waves in viscoelastic waveguides of arbitrary geometry embedded in infinite solid or liquid media. Dispersion of leaky and non-leaky guided waves in terms of speed and attenuation, as well as the radiated wavefields, can be computed. The results obtained in this thesis can be helpful for the design of both actuation and sensing systems in practical application, as well as to tune experimental setup.