Modelling and aerodynamic simulation of a vehicle and failure analysis of a laminated front fender

Master Thesis in Mechanical Engineering field of Maintenance and Production

Modelação e concepção da carroçaria do veículo eléctrico ecológico (VEECO)

Neste trabalho aborda-se o desenvolvimento da carroçaria do Veículo Eléctrico Ecológico – VEECO recorrendo a tecnologias assistidas por computador. Devido à impossibilidade de abranger toda a temática das tecnologias assistidas por computador, associadas ao desenvolvimento de uma carroçaria automóvel, o foco deste trabalho assenta no processo de obtenção de um modelo digital válido e no estudo do desempenho aerodinâmico da carroçaria. A existência de um modelo digital válido é a base de qualquer processo de desenvolvimento associado a tecnologias assistidas por computador. Neste sentido, numa primeira etapa, foram aplicadas e desenvolvidas técnicas e metodologias que permitem o desenvolvimento de uma carroçaria desde a sua fase de “design” até à obtenção de um modelo digital CAD. Estas abrangem a conversão e importação de dados, a realização de engenharia inversa, a construção/reconstrução CAD em CATIA V5 e a preparação/correcção de modelos CAD para a análise numérica. Numa segunda etapa realizou-se o estudo da aerodinâmica exterior da carroçaria, recorrendo à ferramenta de análise computacional de fluidos (CFD) Flow Simulation da CosmosFloworks integrado no programa SolidWorks 2010. Associado à temática do estudo aerodinâmico e devido à elevada importância da validação dos resultados numéricos por meio de dados experimentais, foi realizado o estudo de análise dimensional que permite a realização de ensaios experimentais à escala, bem como a análise dos resultados experimentais obtidos.

Alumiiniveneen rungon modulointi robottihitsauksen tehostamiseksi

Alumiiniveneiden valmistuksessa hitsauksen automatisointiaste on hyvin matala. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on tärkeää saada automatisointiastetta nostettua ja tätä kautta hitsauskustannuksia alennettua. Automatisoinnin esteenä ei ole teknologian puute, vaan ongelmana on alumiiniveneiden rakenteen huono soveltuvuus automatisoituun tuotantoon. Rakenteen kehittäminen modulaariseksi on yksi mahdollisuus tehostaa robottihitsausta venerunkojen valmistuksessa. Tässä diplomityössä tutkittiin modulaarisuutta, modulointiin johtavia tekijöitä sekä modulaarisuudella mahdollisesti saavutettavia etuja valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti robottihitsauksessa. Lisäksi käsiteltiin modulointiin läheisesti liittyvää valmistus- ja kokoonpanoystävällistä suunnittelua. Työssä tehtiin modulointiesimerkki huviveneen rungon robottihitsauksen tehostamiseksi. Veneen runko ja siihen suunniteltu jäykisterakennemoduuli mallinnettiin käyttäen SolidWorks-ohjelmistoa sekä Delmia V5-ohjelmistoon sisällytettyä Catia V5-suunnitteluympäristöä. Suunnitellun modulaarisen rakenteen hitsattavuutta ja hitsaukseen kuluvaa aikaa simuloitiin Delmia V5-ohjelmistolla. Modulaarisen rakenteen avulla robottihitsattavuutta on mahdollista tehostaa erityisesti rungon sisäisen jäykisterakenteen osalta. Kun tuotteesta on suurempi osa hitsattavissa robotin avulla, on myös robotisointi-investoinnit kannattavampia. Modulaarisuuden avulla voidaan päästä myös pienillä tuotantomäärillä sarjatuotannon etuihin, kun samaa moduulia voidaan käyttää vähäisillä muutoksilla useammassa eri venemallissa.

Verifiche numeriche dello stato di sollecitazione di una struttura alare di un velivolo ultraleggero

Lo scopo del progetto è di calcolare, tramite un modello agli elementi finiti, lo stato di sollecitazione delle parti costituenti l’ala di un velivolo ultraleggero, e di visualizzare i risultati della soluzione del calcolo in maniera grafica. L’aeromobile oggetto di studio è lo Yuma 912 S commercializzato da Alisport, un velivolo di categoria ULM (UltraLeggero Motorizzato) con capacità STOL (Short TakeOff and Landing – decollo ed atterraggio corti). Tutto il lavoro di progettazione, modellazione e calcolo è stato eseguito con un’unica tipologia di programma, CATIA V5, disponibile commercialmente, al fine di evitare conflitti tra diversi programmi CAD (per disegno assistito dal calcolatore) e CAE/FEA (per analisi ingegneristica del prodotto). Il lavoro si è articolato nelle seguenti fasi: progettazione assistita dal calcolatore, sviluppo del modello, valutazione della soluzione. I carichi introdotti nell’analisi sono stati scelti considerando le caratteristiche del velivolo ed il proprio diagramma di manovra, quindi calcolati in maniera teorica e successivamente applicati al modello in esame. La soluzione è stata poi visualizzata tramite simulazione della struttura deformata ed applicazione di una scala di colori sulle zone sottoposte ai diversi stati di sollecitazione.

Unidad didáctica sobre el uso del programa Virtual.Lab para simulaciones acústicas. Parte I

El presente Proyecto de Fin de Carrera supone el propósito conjunto de los alumnos Álvaro Morillas y Fernando Sáez, y del profesor Vladimir Ulin, de desarrollar una unidad didáctica sobre el programa de simulación para ingeniería Virtual.Lab. La versión sobre la que se ha trabajado para realizar este texto es la 11, publicada en agosto de 2012. Virtual.Lab, del fabricante belga LMS International, es una plataforma software de ingeniería asistida por ordenador, que agrupa en una misma aplicación varias herramientas complementarias en el diseño de un producto, desde su definición geométrica a los análisis de durabilidad, ruido u optimización. No obstante, de entre todas las posibles simulaciones que nos permite el programa, en este proyecto sólo se tratan las que están relacionadas con la acústica. Cabe resaltar que gran parte de los conceptos manejados en Virtual.Lab son compatibles con el programa CATIA V5, ya que ambos programas vienen instalados y funcionan conjuntamente. Por eso, el lector de este proyecto podrá transportar sus conocimientos al que es uno de los programas estándar en las industrias aeronáutica, naval y automovilística, entre otras. Antes de este proyecto, otros alumnos de la escuela también realizaron proyectos de fin de carrera en el campo de la simulación computarizada en acústica. Una característica común a estos trabajos es que era necesario hacer uso de distintos programas para cada una de las etapas de simulación (como por ejemplo, ANSYS para el modelado y estudio de la vibración y SYSNOISE para las simulaciones acústicas, además de otros programas auxiliares para las traducciones de formato). Con Virtual.Lab desaparece esta necesidad y el tiempo empleado se reduce. Debido a que las soluciones por ordenador están ganando cada vez más importancia en la industria actual, los responsables de este proyecto consideran la necesidad de formación de profesionales en esta rama. Para responder a la demanda empresarial de trabajadores cualificados, se espera que en los próximos años los planes de estudio contengan más cursos en esta materia. Por tanto la intención de los autores es que este material sea de utilidad para el aprendizaje y docencia de estas asignaturas en cursos sucesivos. Por todo esto, se justifica la relevancia de este PFC como manual para introducir a los alumnos interesados en iniciarse en un sistema actual, de uso extendido en otras universidades tecnológicas europeas, y con buenas perspectivas de futuro. En este proyecto se incluyen varios ejemplos ejecutables desde el programa, así como vídeos explicativos que ayudan a mostrar gráficamente los procesos de simulación. Estos archivos se pueden encontrar en el CD adjunto. Abstract This final thesis is a joint project made by the students Álvaro Morillas and Fernando Sáez, and the professor Vladimir Ulin. The nature of the joint regards the writing of a didactic unit on Virtual.Lab, the simulation software. The software version used in this text is the number 11, released in August 2012. Virtual.Lab, from the Belgian developer LMS International, is a computer-aided engineering software which is used for several related tasks in this field: product design, durability simulation, optimization, etc. However, this project is focused on the acoustical capabilities. It is worthy to highlight that most procedures explained in this text can be used in the software CATIA V5 as well. Both tools come installed together and may be used at the same time. Therefore, the reader of this project will be able to use the acquired knowledge in one of the most relevant softwares for the aerospace, marine and automotive engineering. Previously to the development of this project, this School has conducted projects on this field. These projects regarded the use of ANSYS for modeling and meshing stages as well as the use of SYSNOISE for the final acoustic analysis. Since both systems use different file formats, a third-party translation software was required. This thesis fulfill this pending necessity with Virtual.Lab; the translation software procedure is not necessary anymore and simulations can be done in a more flexible, fast way. Since companies have an increasing usage of numerical methods in the development of their products and services, the authors think that it is important to develop the appropriate method to instruct new professionals in the field. Thus, the aim of this project is to help teachers and students in their process of learning the use of this leading software in acoustical simulations. For all the reasons mentioned above, we consider that this project is relevant for the School and the educational community. Aiming to achieve this objective the author offers example files and video demonstrations with guidance in the CD that accompanies this material. This facilitates the comprehension of the practical tasks and guides the prospect users of the software.

Desarrollo de un sistema basado en el conocimiento para la definición de líneas de montaje aeronáuticas en la fase conceptual : Aplicación a una aeroestructura aeronáutica

La presente Tesis persigue la definición y el desarrollo de un sistema basado en el conocimiento que permita la generación de modelos de líneas de montaje durante la fase conceptual de definición de una aeroestructura aeronáutica. Para ello, se propone la definición de un modelo formal del proceso en concurrencia asociado al diseño de líneas de montaje en la fase conceptual, y de un modelo de la estructura de datos básica para soportar dicho proceso. Ambos modelos sirven de base para el desarrollo de una aplicación de prueba de concepto en el entorno del sistema comercial CAX-PLM CATIA v5. Los modelos de línea generados integran las tres estructuras básicas definidas en el modelo propuesto: producto, procesos y recursos. Los modelos generados son estructuras “de montaje”, basadas en estructuras de producto “de fabricación” a su vez derivadas de estructuras “de diseño”. Cada modelo generado se evalúa en términos de cuatro estimaciones básicas: dimensiones máximas del nodo producto, distancia de transporte y medio a utilizar, tiempo total de ejecución y coste total. La generación de modelos de línea de montaje se realiza en concurrencia con la función diseño de producto, teniendo por tanto la oportunidad de influir en la misma e incluir requerimientos de fabricación y montaje al producto en las primeras fases de su ciclo de vida, lo que proporciona una clara ventaja competitiva. El desarrollo propuesto en esta Tesis permite sentar las bases para realizar desarrollos con objeto de asistir a los diseñadores durante la fase conceptual de generación de diseños de líneas de montaje. La aplicación prototipo desarrollada demuestra la viabilidad de la propuesta conceptual que se realiza en la Tesis. ABSTRACT The current thesis proposes the definition and development of a knowledge-based system to generate aircraft components assembly line models during the conceptual phase of the product life cycle. With this objective, the definition of a formal activity model to represent the design of assembly lines during the conceptual phase is proposed; such model considers the concurrence with the product design process. Associated to the activity model, a data structure model is defined to support such process. Both models are the basis for the development of a proof of concept application within the environment of the commercial CAX-PLM system CATIA v5. The generated assembly line models integrate the three basic structures defined in the proposed model: product, processes and resources. The generated models are “As Prepared” structures based on “As Planned” structures derived from “As Designed” structures. Each generated model is evaluated in terms of four basic estimates: maximum dimensions of the product node, transport distance and transport mean to be used, total execution time and total cost. The assembly line models generation is made in concurrence with the product design function. Therefore, it provides the opportunity to influence on it and allows including manufacturing and assembly requirements early in the product life cycle, which gives a clear competitive advantage. The development proposed in this Thesis allows setting the foundation to carry out further developments with the aim of assisting designers during the conceptual phase of the assembly line design process. The developed prototype application shows the feasibility of the conceptual proposal presented in the Thesis.

A knowledge based application for industrialization design

After being designed, a product has to be manufactured, which means converting concepts and information into a real, physical object. This requires a big amount of resources and a careful planning. The product manufacturing must be designed too, and that is called Industrialization Design. An accepted methodology for this activity is starting defining simple structures and then progressively increasing the detail degree of the manufacturing solution. The impact of decisions taken at first stages of Industrialization Design is remarkable, and software tools to assist designers are required. In this paper a Knowledge Based Application prototype for the Industrialization Design is presented. The application is implemented within the environment CATIA V5/DELMIA. A case study with a simple Product from aerospace sector illustrates the prototype development.

A knowledge based application for industrialization design

After being designed, a product has to be manufactured, which means converting concepts and information into a real, physical object. This requires a big amount of resources and a careful planning. The product manufacturing must be designed too, and that is called Industrialization Design. An accepted methodology for this activity is starting defining simple structures and then progressively increasing the detail degree of the manufacturing solution. The impact of decisions taken at first stages of Industrialization Design is remarkable, and software tools to assist designers are required. In this paper a Knowledge Based Application prototype for the Industrialization Design is presented. The application is implemented within the environment CATIA V5/DELMIA. A case study with a simple Product from aerospace sector illustrates the prototype development.

Parametric CAD model based shape optimization using adjoint functions

Adjoint methods have proven to be an efficient way of calculating the gradient of an objective function with respect to a shape parameter for optimisation, with a computational cost nearly independent of the number of the design variables [1]. The approach in this paper links the adjoint surface sensitivities (gradient of objective function with respect to the surface movement) with the parametric design velocities (movement of the surface due to a CAD parameter perturbation) in order to compute the gradient of the objective function with respect to CAD variables.
For a successful implementation of shape optimization strategies in practical industrial cases, the choice of design variables or parameterisation scheme used for the model to be optimized plays a vital role. Where the goal is to base the optimization on a CAD model the choices are to use a NURBS geometry generated from CAD modelling software, where the position of the NURBS control points are the optimisation variables [2] or to use the feature based CAD model with all of the construction history to preserve the design intent [3]. The main advantage of using the feature based model is that the optimized model produced can be directly used for the downstream applications including manufacturing and process planning.
This paper presents an approach for optimization based on the feature based CAD model, which uses CAD parameters defining the features in the model geometry as the design variables. In order to capture the CAD surface movement with respect to the change in design variable, the “Parametric Design Velocity” is calculated, which is defined as the movement of the CAD model boundary in the normal direction due to a change in the parameter value.
The approach presented here for calculating the design velocities represents an advancement in terms of capability and robustness of that described by Robinson et al. [3]. The process can be easily integrated to most industrial optimisation workflows and is immune to the topology and labelling issues highlighted by other CAD based optimisation processes. It considers every continuous (“real value”) parameter type as an optimisation variable, and it can be adapted to work with any CAD modelling software, as long as it has an API which provides access to the values of the parameters which control the model shape and allows the model geometry to be exported. To calculate the movement of the boundary the methodology employs finite differences on the shape of the 3D CAD models before and after the parameter perturbation. The implementation procedure includes calculating the geometrical movement along a normal direction between two discrete representations of the original and perturbed geometry respectively. Parametric design velocities can then be directly linked with adjoint surface sensitivities to extract the gradients to use in a gradient-based optimization algorithm.
The optimisation of a flow optimisation problem is presented, in which the power dissipation of the flow in an automotive air duct is to be reduced by changing the parameters of the CAD geometry created in CATIA V5. The flow sensitivities are computed with the continuous adjoint method for a laminar and turbulent flow [4] and are combined with the parametric design velocities to compute the cost function gradients. A line-search algorithm is then used to update the design variables and proceed further with optimisation process.

Intelligent DMU creation: Nominal CAD model preparation for automated tolerance allocation

This paper examines the integration of a tolerance design process within the Computer-Aided Design (CAD) environment having identified the potential to create an intelligent Digital Mock-Up [1]. The tolerancing process is complex in nature and as such reliance on Computer-Aided Tolerancing (CAT) software and domain experts can create a disconnect between the design and manufacturing disciplines It is necessary to implement the tolerance design procedure at the earliest opportunity to integrate both disciplines and to reduce workload in tolerance analysis and allocation at critical stages in product development when production is imminent.
The work seeks to develop a methodology that will allow for a preliminary tolerance allocation procedure within CAD. An approach to tolerance allocation based on sensitivity analysis is implemented on a simple assembly to review its contribution to an intelligent DMU. The procedure is developed using Python scripting for CATIA V5, with analysis results aligning with those in literature. A review of its implementation and requirements is presented.

Análise do jogo de goalball : modelação e interpretação dos padrões de jogo da Paralimpíada de Pequim 2008

Universidade Estadual de Campinas . Faculdade de Educação Física

Balanced Scorecard Dinâmico: Uma Proposta de Modelação da Dinâmica das Organizações

O Balanced Scorecard (BSC) tem vindo a revelar-se um conceito popular como ferramenta de suporte à descrição e implementação da estratégia organizacional. Esta abordagem propõe que os gestores se foquem no desenvolvimento e utilização dum número reduzido de indicadores críticos de desempenho, financeiros e não financeiros, que combinam diferentes disciplinas e perspectivas da organização e que estão articulados numa cadeia causal que explica de forma consistente o desempenho futuro de acordo com a estratégia formulada. Contudo, diversas dúvidas e críticas tem emergido relativamente à qualidade do processo de desenvolvimento do BSC e que colocam em causa a consistência e a validade da estrutura de indicadores que constitui o instrumento fundamental para o controlo da implementação da estratégia. Com o propósito de ultrapassar estes problemas, uma abordagem baseada na modelação e simulação dinâmica (dinâmica de sistemas) é proposta como suporte ao processo de desenvolvimento do BSC. Esta abordagem permite acelerar e melhorar a aprendizagem dos gestores acerca do processo de criação futura de valor que está associado à estratégia formulada e respectiva implementação, contribuindo assim para a validade e consistência da estrutura de indicadores do BSC.

Influência da modelação de núcleos de betão armado no cálculo automático de estruturas de edifícios

O presente trabalho aborda a questão do comportamento e influência estrutural da modelação de um núcleo de secção aberta de parede fina no modelo tridimensional de elementos finitos de um edifício de betão armado, composto por 5 pisos sujeito à acção sísmica regulamentar. Para o efeito, foram considerados os Eurocódigos estruturais, nomeadamente o Eurocódigo 0, Eurocódigo 1 e Eurocódigo 8. A fim de avaliar a importância do tipo de modelação destes elementos estruturais, elemento fundamental para a caracterização da resposta dinâmica, foi desenvolvido um estudo paramétrico, fazendo-se a análise de quatro formas distintas de modelação do mesmo núcleo. Para os mesmos casos de carregamento, é feita uma análise comparativa entre os resultados obtidos a nível de períodos, percentagem de armadura nos pilares e no próprio núcleo bem como os deslocamentos para os modelos em estudo, com recurso a um programa de cálculo automático. O edifício considerado neste trabalho foi modelado com base no programa comercial de cálculo automático SAP 2000 versão 14.4. Posteriormente apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos nos vários modelos em causa e para as várias situações propostas ao longo do trabalho.

Modelação da contribuição do tráfego automóvel para a qualidade do ar em zona industrial

A preocupação sobre a qualidade do ar nas zonas industriais confere aos estudos sobre a qualidade do ar uma importância acrescida. Este trabalho teve como objectivo saber qual a contribuição dos principais poluentes provenientes do tráfego automóvel para a qualidade do ar na zona do parque industrial da Sapec, da Península da Mitrena, concelho de Setúbal, recorrendo ao modelo meteorológico e de qualidade do ar, TAPM (The Air Pollution Model). Neste trabalho analisaram-se dados da estação de monitorização da qualidade do ar, mais próxima da zona de estudo (Subestação) por forma a caracterizar-se a zona em causa, a nível meteorológico e da qualidade do ar. Os dados metereológico desta estação também foram utilizados com o objectivo de se validar os resultados meteorológicos obtidos pelo modelo. Na avaliação da contribuição do tráfego para a qualidade do ar, recorreu-se a um estudo de tráfego realizado pela Estradas de Portugal (EP) em 2004. Este estudo realizou a contagem dos veículos que se dirigiram ao parque industrial nos dias 14 e 15 de Dezembro, num período de 24 horas. A partir dessa contagem e de factores de emissão foi possível determinar a contribuição, de cada classe de veículo, para as concentrações atmosféricas de PM10 (resultantes de processos de combustão e ressuspensão), NOx, CO e HC. A comparação entre os dados meteorológicos simulados e medidos mostram que o modelo teve um bom comportamento, isto é, as discrepâncias entre os valores simulados e medidos foram mínimas. Relativamente à contribuição de cada categoria de veículos para a qualidade do ar, verificou-se que a classe de pesados de mercadorias foi aquela que mais contribui para as emissões de PM10, NOx e HC, enquanto que para as emissões de CO foram os veículos ligeiros de passageiros que tiveram uma maior contribuição. As classes dos motociclos e ciclomotores foram aquelas que tiveram uma menor contribuição para as concentrações atmosféricas de poluentes. Comparando as emissões de PM10 provenientes dos processos de combustão e de ressuspensão conclui-se que a maior percentagem provem da ressuspensão.

Modelação de sobrecargas rodoviárias: estudo comparativo entre diferentes normas

O presente trabalho pretende aprofundar o estudo das sobrecargas rodoviárias em pontes de pequeno a médio vão, analisando modelos de carga prescritos em vários regulamentos, assim como os efeitos que cada um dos modelos origina. São explicados os principais factores que influenciam as sobrecargas rodoviárias em pontes referenciando-se diversos estudos recentes. Expõe-se ainda a abordagem que os regulamentos em estudo fazem aos referidos factores. Descreve-se pormenorizadamente os modelos de carga previstos em cada regulamento em estudo (regulamentos Português, Europeu, Canadiano, norte-Americano e Brasileiro). Expõe-se e analisa-se os efeitos produzidos pelos modelos de cada regulamento através da sua aplicação a vigas simplesmente apoiadas com comprimento variável entre 20 e 50 metros e faixas de rodagem com duas a quatro vias de tráfego. Exploram-se aspectos como a influência que o tipo de submodelo, número de vias de tráfego e comprimento do vão têm nos esforços obtidos. Efectua-se ainda o dimensionamento de uma passagem superior, constituída por uma viga simplesmente apoiada, segundo a regulamentação nacional actualmente em vigor – RSA e REBAP – e segundo as normas Europeias – EC1 e EC2. O dimensionamento é feito obtendo os esforços actuantes de cálculo a utilizar nas verificações em relação ao estado limite de utilização de descompressão e estados limites últimos de flexão e esforço transverso.