Otimização de pré-formas e matrizes em problemas bidimensionais de forjamento

Este trabalho apresenta uma sistemática para realizar a otimização numérica de pré-formas e de matrizes em problemas de forjamento axissimétricos e em estado plano de deformações. Para este fim, desenvolveu-se um código computacional composto basicamente de três módulos: módulo de pré-processamento, módulo de análise e módulo de otimização. Cada um destes foi elaborado acrescentando rotinas em programas comerciais ou acadêmicos disponíveis no GMAp e no CEMACOM. Um programa gerenciador foi desenvolvido para controlar os módulos citados no processo de otimização. A abordagem proposta apresenta uma nova função objetivo a minimizar, a qual está baseada em uma operação booleana XOR (exclusive or) sobre os dois polígonos planos que representam a geometria desejada para o componente e a obtida na simulação, respectivamente. Esta abordagem visa eliminar possíveis problemas geométricos associados com as funções objetivo comumente utilizadas em pesquisas correlatas. O trabalho emprega análise de sensibilidade numérica, via método das diferenças finitas. As dificuldades associadas a esta técnica são estudadas e dois pontos são identificados como limitadores da abordagem para problemas de conformação mecânica (grandes deformações elastoplásticas com contato friccional): baixa eficiência e contaminação dos gradientes na presença de remalhamentos. Um novo procedimento de diferenças finitas é desenvolvido, o qual elimina as dificuldades citadas, possibilitando a sua aplicação em problemas quaisquer, com características competitivas com as da abordagem analítica Malhas não estruturadas são tratadas mediante suavizações Laplacianas, mantendo as suas topologias. No caso de otimização de pré-formas, o contorno do componente a otimizar é parametrizado por B-Splines cujos pontos de controle são adotados como variáveis de projeto. Por outro lado, no caso de otimização de matrizes, a parametrização é realizada em termos de segmentos de reta e arcos de circunferências. As variáveis de projeto adotadas são, então, as coordenadas das extremidades das retas, os raios e centros dos arcos, etc. A sistemática é fechada pela aplicação dos algoritmos de programação matemática de Krister Svanberg (Método das Assíntotas Móveis Globalmente Convergente) e de Klaus Schittkowski (Programação Quadrática Sequencial – NLPQLP). Resultados numéricos são apresentados mostrando a evolução das implementações adotadas e o ganho de eficiência obtido.

Modelamento paramétrico e geração de malha em superfícies para aplicações em engenharia

Este trabalho apresenta um conjunto de técnicas para a modelagem paramétrica e geração de malhas de superfícies para uso em sistemas de análise e simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos. Foram desenvolvidos algoritmos para a geração paramétrica de superfícies, para a determinação das curvas de interseções entre superfícies e para a geração de malhas em superfícies curvas e recortadas. Foram implementas linhas e curvas paramétricas básicas, a partir das quais são geradas superfícies paramétricas de vários tipos que proporcionam uma grande flexibilidade de modelamento geométrico. Curvas e superfícies são geradas e manipuladas de forma interativa. São apresentadas técnicas que simplificam a implementação de linhas e superfícies paramétricas. Foi desenvolvido um algoritmo para determinar as curvas de interseção entre superfícies paramétricas, que são utilizadas como linhas de recorte (trimming lines) para obter geometrias complexas e compostas de várias superfícies. O algoritmo desenvolvido emprega técnicas de subdivisão adaptativa, por quadtrees, em função da curvatura local das superfícies. Primeiramente, obtém-se uma aproximação das curvas de interseção no espaço 3D, através da aproximação por triângulos. Os resultados iniciais são refinados e projetados sobre as duas superfícies envolvidas com algoritmos que permitem obter grande precisão. As curvas de interseção finais são mapeadas nos espaços paramétricos das duas superfícies, porém com uma parametrização única, o que facilita a junção com superfícies adjacentes Um algoritmo de geração de malha foi desenvolvido para gerar malhas triangulares de qualidade sobre as superfícies curvas e recortadas. O algoritmo utiliza um processo de subdivisão adaptativa por quadtrees, similar ao utilizado no algoritmo de interseção, para definir tamanhos de elementos em função da curvatura local. Em seguida, aplica-se um algoritmo tipo advancing front para gerar a malha sobre a superfície. Os algoritmos foram implementados e testados em um ambiente gráfico interativo especialmente desenvolvido para este trabalho. São apresentados vários exemplos que comprovam a eficiência das técnicas e algoritmos propostos, incluindo exemplos de matrizes de conformação mecânica para uso com código de análise METAFOR, análise de sensibilidade para otimização de pré-formas e de modelagem de superfícies compostas recortadas com geração de malhas de qualidade, para uso em análise por Elementos Finitos ou como contorno para geração de elementos tridimensionais.

Otimização do layout de produção de um processo de pintura de ônibus

A aplicação de técnicas para o desenvolvimento de soluções para problemas existentes dentro dos setores produtivos tornam-se cada vez mais necessária, devido às constantes modificações tecnológicas, econômicas e sociais experimentadas pelas empresas. Dentre essas técnicas destaca-se o SLP (Systematic Layout Planning - Planejamento Sistemático de Layout), que traz resultados positivos na reestuturação de layouts fabris. No presente trabalho, apresentam-se diferentes opções de layouts, suas aplicações, vantagens e desvantagens, bem como sua utilização no contexto do SLP. Para tanto, realizou-se um estudo de caso utilizando o SLP Planejamento Sistemático de Layout em setor de pintura do ramo metal-mecânico. Os resultados obtidos revelam-se através do re-arranjo de postos de trabalho com redução no fluxo de linha de acordo com a aproximação de postos por afinidades e um melhor controle de produção, através de um melhor seqüênciamento da linha. Essa alteração também possibilitou uma melhor organização espacial dos pontos de trabalho e um incremento da capacidade produtiva dentro da empresa. A metologia adotada pode ser utilizada como ferramenta de melhoria nos demais setores, tanto da própria empresa, como de outras que se assemelham ao processo produtivo descrito neste estudo de caso.

Desenvolvimento do processo de construção de curvas limite de conformação

Este trabalho analisa o processo de obtenção da Curva Limite de Conformação (CLC) através do procedimento adotado por Nakazima, 1968. Ele variando o formato dos corpos de prova submeteu os mesmos a um ensaio de estiramento simulando uma ampla faixa de deformações que vão desde o embutimento profundo passando pela deformação de tração simples até a deformação biaxial de tração. Foram feitos ensaios com corpos de prova em formato de tiras, exatamente como Nakazima propôs. A ruptura para estes corpos de prova ocorre de modo aleatório rompendo inclusive na região de contado da matriz com o mesmo. Fez-se ensaios com corpos de prova com tiras entalhadas. Esse entalhe tem a função de promover a estricção ou ruptura dependendo do ponto de parada do ensaio, na região de contato entre punção e corpo de prova ensaiado. No presente trabalho utiliza-se o mesmo método de Nakazima variando o formato do punção, em vez de um domo ou ponta hemisférica optou-se pela ponta eliptica. Foi analisada a influencia na CLC obtida, uma vez que a forma elíptica proporciona uma área de contato inicial maior gerando menores solicitações mecânicas no inicio do ensaio resultando numa CLC mais para cima quando comparada com uma CLC gerada com punção hemisférico. Para esta análise utilizou-se como matéria prima o alumínio comercialmente puro liga AA1050-O.

Método de Otimização Topológica em Estruturas Tridimensionais

The topology optimization problem characterize and determine the optimum distribution of material into the domain. In other words, after the definition of the boundary conditions in a pre-established domain, the problem is how to distribute the material to solve the minimization problem. The objective of this work is to propose a competitive formulation for optimum structural topologies determination in 3D problems and able to provide high-resolution layouts. The procedure combines the Galerkin Finite Elements Method with the optimization method, looking for the best material distribution along the fixed domain of project. The layout topology optimization method is based on the material approach, proposed by Bendsoe & Kikuchi (1988), and considers a homogenized constitutive equation that depends only on the relative density of the material. The finite element used for the approach is a four nodes tetrahedron with a selective integration scheme, which interpolate not only the components of the displacement field but also the relative density field. The proposed procedure consists in the solution of a sequence of layout optimization problems applied to compliance minimization problems and mass minimization problems under local stress constraint. The microstructure used in this procedure was the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalty). The approach reduces considerably the computational cost, showing to be efficient and robust. The results provided a well defined structural layout, with a sharpness distribution of the material and a boundary condition definition. The layout quality was proporcional to the medium size of the element and a considerable reduction of the project variables was observed due to the tetrahedrycal element

Otimização de linhas de produção de uma empresa no setor dos componentes para automóveis

Ao longo dos anos, a economia mundial tem sofrido profundas mudanças, assistindo-se a uma crescente exigência por parte dos mercados, quer na diversidade dos produtos, quer na qualidade dos serviços. No Setor Automóvel, a globalização vem obrigando os construtores a adotar novos paradigmas ao nível do conceito de produção, de modo a corresponder às novas exigências de redução de custos e à obtenção de melhores níveis de produtividade e qualidade. É neste contexto, que a Indústria dos Componentes para Automóveis, ao constituir-se como um setor caraterizado por elevados graus de exigência e de competitividade, vem impondo às suas empresas o recurso a crescentes exigências nos processos tecnológicos, de forma a manter uma dinâmica de contínuo desenvolvimento e inovação de produtos, tecnologias e processos, bem como, a perseguir conceitos de qualidade total e de excelência nas suas operações. Este documento resulta, antes de tudo, de um extenso trabalho de campo, onde se procurou aplicar uma metodologia assente na T.O.C. - Theory of Constraints, com integração de conceitos de Lean Manufacturing, contribuindo assim, para a otimização de linhas de produção da empresa do setor dos componentes para automóveis, tomada como referência.

Análise da resistência à fadiga de tubos de aço API 5CT N80 Tipo Q soldados via processo de indução magnética de alta frequência (HFIW)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

O modelo de Gurson para dano dúctil : estratégia computacional e aplicações

Este trabalho trata do emprego do modelo de dano dúctil de Gurson e de alguns aspectos relativos a sua implementação computacional. Emprega-se como ponto de partida o programa Metafor, código de elementos finitos voltado para a simulação de problemas de conformação mecânica, contemplando portanto grandes deformações plásticas. Estudam-se alguns casos simples procurando identificar a influência de cada parâmetro do modelo de Gurson na resposta. É discutida a aplicação dos modelos de nucleação de vazios usualmente empregados em conjunto com a superfície de escoamento de Gurson em situações onde há reversão de solicitação. São propostas alterações nos modelos usuais de nucleação de forma a minorar resultados incoerentes verificados. Apresenta-se um algoritmo alternativo ao método de Newton-Raphson para a solução do sistema de equações associado à forma fraca das equações de equilíbrio, em situações onde a rigidez fica muito pequena. Tal algoritmo é implementado e testado. Um algoritmo de integração de tensões é apresentado e implementado, mostrando-se sua vantagem do ponto de vista de robustez, ou seja, obtenção da resposta correta a despeito do tamanho de incremento empregado. Também é discutido um procedimento para desconsiderar elementos que apresentem ruptura local Estudam-se problemas envolvendo geração de calor por deformação plástica em conjunto com a formulação do modelo de Gurson, mostrando que a consideração de acoplamento termo-mecânico com dano traz vantagens em algumas simulações. É discutida a implementação do modelo de Gurson sobre a versão tridimensional do Metafor, que contempla a formulação lagrangiana-euleriana arbitrária (LEA). Ao final, é feita uma simulação inicial do comportamento de espumas metálicas.

Estudo do efeito springback em aços avançados de alta resistência aplicados a indústria automobilística

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo sobre os efeitos de tensões residuais na vida em fadiga da liga de alumínio 6013-T6, em perfil tubular, submetidas a shot peening

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Analise de tensões com ultrassom em tubos soldados por resistência elétrica

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEG

Desenvolvimento de um programa paramétrico para simulação do processo de estampagem utilizando elementos finitos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Caracterização do defeito tipo trinca de laminação, ocorrido no processo de laminação de barras de aço

The mechanical forming processes are the main means of transformation. Among all processes, the most used is rolling and broken down into flat and non-flat products. In the flat products are classified plates, and products no plans bars and profiles. Thus laminating products, mostly, are the raw materials for other processes of transformation, as stamping, forging, machining, bending and more. This work has focused on non-flat products, classified as bars and rods, watching a key point in the proceedings that is the product quality. Here is demonstrated through metallographic analysis of steel bars, hot-rolled, the characteristics of surface cracks in these bars

Estudo das alterações das propriedades mecânicas em aço A-516 grau 70 soldado e submetido a tratamento térmico de alívio de tensões

Pressure vessels are equipments that require a great care because of their high cost and human life risk in case of fail, and its fabrication methods are different for each manufacturer. Normally, pressure vessels and its parts are fabricated by welding, which may change local properties of metals. The head of a pressure vessel is a very important structural component and it is fabricated by welding and mechanical conformation. Because its excellent mechanical properties, de steel A-516 Grade 70 is often used in manufacturing of large pressure vessels that are subjected to high pressure and temperature, but was verified that its mechanical resistance is decreased when submitted to a tension relief heat treatment. By experience it was defined that before mechanical conformation of the head of a large pressure vessel, the steel should be submitted to a stress relief heat treatment in order to facilitate the mechanical conformation, but there is no quantitative analysis to prove this method and study its possible risks. In the present work the steel A-516 Grade 70 demonstrated a decrease of its mechanical resistance when submitted to a stress relief heat treatment, but keeping above the minimum limit defined in the literature. By other side its ductility was substantially increased, being possible to deduce that the stress relief heat treatment before mechanical conformation is a viable e recommended technique, but with reservations. With the data acquired during the fabrication e preparation of the specimen and the result of the tests, it was possible to elaborate a welding procedure that provides the same results obtained in this present work