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Structural optimization of a mechanism in an airfoil
No full textO projeto auxiliado por computador, permitiu o desenvolvimento de abordagens não convencionais nas últimas décadas, uma área que tem se beneficiado amplamente com essas novas ferramentas, é a indústria aeronáutica. O presente trabalho objetiva o desenvolvimento de um mecanismo flexível capaz de otimizar a eficiência de uma asa, considerando diferentes ângulos de ataque. Através da utilização de algoritmo genético de otimização, simulando o mecanismo via método de elementos finitos e avaliando as características aerodinâmicas do aerofólio pela abordagem de escoamento potencial, foi possível a obtenção de um mecanismo capaz de aumentar em 15% a máxima eficiência aerodinâmica do perfil NACA 23012. Foi, ainda, obtido um aumento na eficiência média de 24% no intervalo entre 0 e 20º de ângulo de ataque, em relação ao perfil original.The computer-aided project has allowed the development of unconventional approaches in recent decades, an area that has benefited widely from these new tools, is the aeronautical industry. The present work aims to develop a compliant mechanism capable of optimizing the efficiency of a wing, considering different angles of attack. Making use of a genetic optimization algorithm, simulating the mechanism via finite element method and evaluating the aerodynamic characteristics of the airfoil by the potential flow approach, it was possible to obtain a mechanism capable of increasing the maximum aerodynamic efficiency of the NACA 23012 profile by 15%. Additionally, the mechanism proposed reaches an average efficiency 25% higher than that of the original wing in the interval between 0 and 20º of angle of attack
Degradação na resistência mecânica de fios de poliamida devido a hidrólise e cargas de impacto
No full textDissertação (mestrado)A busca por novas alternativas de geração de energia limpa nos guiou a implantação de turbinas eólicas flutuantes e conversores de energia de ondas nos mares, com profundidades que variam de 50 a 100 metros. Cabos de poliéster se mostram rígidos, visto que, a incidência de ondas e a variação de maré são maiores nessas profundidades. Assim, os cabos de poliamidas ganharam devida notoriedade, por ser uma fibra mais elástica que o poliéster, adequou-se bem a essa aplicação. Uma vez em ambiente marinho, estas fibras recebem diversos tipos de solicitações, inclusive cargas de impacto, e por ser um polímero obtido pelo mecanismo de policondensação, a própria água se torna um agente de sua degradação. Deste modo, torna-se atrativo estudar o quanto essas solicitações afetam as propriedades mecânicas do material e o quanto a hidrólise degrada os multifilamentos de poliamida. O procedimento adotado para o estudo de como as cargas de impacto afetam as propriedades do material foi a aplicação de carregamentos com uma fração do YBL (yarn break load) do material e após, a aplicação de ensaio de tração para que fosse evidenciada a perda de resistência a tração no multifilamento. Já para o estudo sobre como a hidrólise afeta esse material, multifilamentos de poliamida ficaram por 6 meses em um reator com água doce a 65oC, após esse período, foram retirados e secos em ambiente com temperatura e umidade controlada até que o ensaio de impacto ocorresse. Nesse ensaio, as amostras foram impactadas até seu rompimento e o número de ciclos alcançados no teste de impacto serviu como parâmetro de medida de degradação. Ao fim dos ensaios ficou evidenciado a perda de resistência a tração do material e a diminuição significante no número de ciclos suportados após o ensaio acelerado de hidrólise.The search for new alternatives for generating clean energy led us to the implementation of floating wind turbines and wave energy converters in the seas, with depths ranging from 50 to 100 meters. Polyester cables are rigid, since the incidence of waves and the variation of tide are higher in these depths. Thus, polyamide cables gained appropriate notoriety, as it is a more elastic fiber than polyester, had suited well to this application. Once in the marine environment, these fibers receive different types of requests, including impact loads, and for being a polymer obtained by the polycondensation mechanism, water itself becomes an agent of its degradation. Thus, it becomes attractive to study how these requests affect the mechanical properties of the material and how much the hydrolysis degrades the polyamide multifilaments. The procedure adopted for the study of how the impact loads affect the properties of the material was the application of loads with a fraction of the YBL (yarn break load) of the material and then the application of tensile test to evidence the loss of tensile strength in the multifilament. For the study on how hydrolysis affects this material, polyamide multifilaments were left for 6 months in a reactor with freshwater at 65oC, after that were removed and dried in an environment with controlled temperature and humidity until the impact test took place. . In this test, the samples were impacted until their rupture and the number of cycles reached served as a parameter for measuring degradation. At the end of the tests, the loss of tensile strength of the material and the significant decrease in the number of cycles supported after the accelerated hydrolysis test were evident
Hyperelastic constitutive model numerical implementation
No full textNeste trabalho é realizada a implementação numérica do modelo de Hoss-Marczak modificado para materiais hiperelásticos isotrópicos no software comercial Abaqus. O modelo constitutivo foi implementado através da sub-rotina UHYPER. Foi realizado um ensaio experimental de tração uniaxial de um corpo de prova de borracha nitrílica e o ajuste de curvas do resultado para obter as constantes relativas ao material. Foram realizadas predições teóricas para modelos de deformação biaxial e cisalhamento puro indicados pela literatura. Os resultados obtidos foram comparados com simulações numéricas realizadas com a sub-rotina implementada para verificar sua acuracidade. Também foi realizado um benchmark afim de validar o modelo implementado para casos de deformação e condições de contorno complexas. Os resultados obtidos mostram que o modelo é capaz de representar o comportamento de materiais hiperelásticos.In this paper the numerical implementation of the modified Hoss-Marczak model for isotropic hyperelastic materials is performed in the Abaqus software. The constitutive model was implemented through the subroutine UHYPER. An uniaxial tensile test was performed with a nitrile rubber test specimen and the results used to get the material’s constants. Theoretical predictions were made for the biaxial tensile and pure shear tests pointed by the literature. The results obtained were compared with numerical simulations realized using the implemented subroutine to verify its accuracy. Also, a benchmark test was performed to evaluate the implemented model capabilities in cases with complex deformations and boundary conditions. The results show that the model is able to replicate the hyperelastic materials behavior
Análise da dinâmica lateral de um veículo de passeio durante uma curva
No full textO advento do automóvel no início do século XX permitiu um desenvolvimento sem precedentes na capacidade de transporte local de bens e pessoas de forma rápida e barata. A suspensão dos veículos precisa ser capaz de absorver os impactos e manter a complacência adequada com o pavimento. A dinâmica veicular analisa as forças envolvidas no sistema para garantir estes atributos, em particular a força lateral desempenhada por cada roda e a rolagem da carroceria presentes, os quais são essenciais para entender se veículo possui um comportamento estável ou instável que pode dificultar o controle pelo condutor. Foi realizada a análise do veículo em curva em regime permanente em diferentes cenários, considerando certos componentes do gradiente de subesterço, como transferência lateral de carga, e comparados os resultados analíticos com simulação no CarSim, onde apresentaram diferença de até 20% no limite de aderência. A análise do veículo com o aumento de peso e altura causaram uma redução no limite de aderência similar ao efeito de aumento de velocidade, aproximando o veículo de sua condição do limite de aceleração lateral máxima possível. Mudanças no eixo traseiro reduziram a rolagem e causaram alteração do equilíbrio dinâmico entre os eixos dianteiro e traseiro.The advent of the automobile at the early of the 20th century allowed humans an unprecedented development in the availability of transporting goods and people locally cheap and fast. Vehicle suspension needs to be capable to ride smoothly through the road while keeps well adhered to the ground. Vehicle dynamics analyzes the forces involved in the system to guarantee these attributes, in particular the lateral force acting on each wheel and the body roll present, which are essential to evaluate if the vehicle behavior are stable or unstable which may lead to undriveability. An analysis of the vehicle in steady state cornering was made in different scenarios, considering certain components of the understeer gradient, such as lateral load transfer, and comparing the analytical results with the simulation in CarSim, which a difference perceived of up to 20% in the friction limit. The analysis of the vehicle with increased weight and height caused a reduction in the friction limit similar to the effect of increasing speed, bringing the vehicle behavior close to its lateral acceleration limit. Different parameters applied to the rear axle reduced the body roll and caused shift in the dynamic balance between the front and rear axles
Projeto de um pedalbox para formula SAE
No full textEste trabalho visa documentar as etapas de projeto e melhoria de um pedalbox voltado para a aplicação em um protótipo monoposto da equipe de Formula SAE da universidade. A partir de um estudo prévio do sistema já construído e utilizado no veículo, constata-se um deslocamento excessivo do pedal de freio. Conseguinte estabelece-se novas diretrizes e uma metodologia para um novo sistema. Através de uma nova proposta a geometria foi desenhada e simulada computacionalmente a fim de comparar o deslocamento total da estrutura, que foi um inconsistência no sistema anterior. As condições de operação do pedalbox partem de um regulamento internacional que coordena a competição de Formula SAE, objetivando a construção deste projeto em conjunto com o restante do veículo. As simulações acontecem a partir da comparação do deslocamento da nova geometria e o sistema. A nova geometria permite ainda a avaliação de tensões, redução de massa e de custos.This work aims to document the design and improvement steps of a pedalbox aimed at application in a single-seat prototype from the university's Formula SAE team. From a previous study of the system already built and used in the vehicle, an excessive displacement of the brake pedal can be seen. Consequently, new guidelines and a methodology for a new system are established. Through a new proposal, the geometry was designed and computationally simulated in order to compare the total displacement of the structure, which was an inconsistency in the previous system. The pedalbox operating conditions are based on an international regulation that coordinates the Formula SAE competition, aiming to build this project together with the rest of the vehicle. The simulations take place by comparing the displacement of the new geometry and the system. The new geometry also allows the evaluation of stresses, mass and cost reduction
Estudo comparativo de metodologias de modelagem de filete de solda utilizando elementos finitos
No full textA avaliação precisa das tensões nas soldas é fundamental para projetos de uniões soldadas, porém essa é uma tarefa complexa mesmo com o auxílio de métodos computacionais, sendo necessário o desenvolvimento de metodologias especificas para cumprir essa finalidade. Este estudo avaliou a eficiência de três técnicas distintas de modelagem utilizando elementos de casca na representação das tensões em uma união soldada do tipo T, foram comparadas com resultados derivados da análise por método de elementos finitos (MEF) com elementos tridimensionais. Foram contemplados cenários de carregamento de tração, flexão e combinado. As técnicas estudadas centralizam-se na abordagem de representação do cordão de solda: elementos de casca oblíquos (EC), ligações rígidas (LR) e incremento de espessura (IE). O método IE destacou-se pela simplicidade de aplicação. Os modelos LR, seguindo diretrizes originais, apresentaram resultados comparáveis com o referencial. A abordagem EC demostrou ser a que mais se aproximou da referência (modelagem por elementos sólidos) em todos os cenários de carregamento.The accurate assessment of stresses in welds is crucial for the design of welded joints. However, this is a complex task even with the aid of computational methods, necessitating the development of specific methodologies for this purpose. This study evaluated the efficiency of three distinct modeling techniques using shell elements in predicting stresses in a T-type welded joint. They were compared with results derived from finite element method (FEM) analysis using solid elements. Scenarios of tensile, bending, and combined loading were considered. The techniques studied focus on the representation approach of the weld bead: oblique shell elements (SE), rigid links (RL), and increase thickness (IT). The IT method stood out for its simplicity of application. The IT method stood out for its simplicity of application. The RL models, following original guidelines, presented results comparable to the reference. The SE approach proved to be the closest to the reference (solid element modeling) in all load scenarios
Análise da relação entre pressão de colapso e força de colapso em dutos submarinos cladeados
No full textAnalisar e conhecer as diversas formas de colapso com que tubulações submarinas podem ser acometidas faz parte de um processo fundamental no que diz respeito ao projeto dessas tubulações. Um exemplo de falha catastrófica que tem atenção constante por parte da indústria offshore é o colapso por pressão externa. Infelizmente, realizar testes experimentais que permitam determinar a magnitude dessas pressões é algo extremamente caro e perigoso. Neste trabalho, é apresentada uma alternativa em busca de estabelecer uma relação entre a pressão de colapso de um tubo cladeado e a força de colapso de um anel com características equivalentes. Essa relação é verificada através de simulações numéricas pelos métodos de elementos finitos. Ao final, é estabelecida uma função matemática que relaciona a pressão de colapso de uma tubulação e a força de colapso de um anel com características parecidas. Essa função obtém resultados satisfatórios quando comparados com resultados de simulações numéricas.Analyzing and understanding the various forms of collapse that subsea pipelines can experience is a fundamental process when it comes to pipeline design. One example of catastrophic failure that has received constant attention from the offshore industry is collapse due to external pressure. Unfortunately, conducting experimental tests to determine the magnitude of these pressures is extremely expensive and dangerous. In this paper, an alternative is presented in an attempt to establish a relationship between the collapse pressure of a clad pipe and the collapse force of a ring with equivalent characteristics. This relationship is verified through numerical simulations by finite element methods. In the end, a mathematical function that relates the collapse pressure of a pipe and the collapse force of a ring with similar characteristics is established. This function obtains satisfactory results when compared to results from numerical simulations
Otimização paramétrica de pórtico para içamento de fornalha
No full textEste trabalho visa à análise detalhada de um projeto cujo intuito é reduzir a massa de uma estrutura metálica que possui a função de içar uma fornalha até seu local de instalação, mantendo sua tensão máxima de von Mises abaixo da tensão máxima atingida no modelo original em sua atividade de erguer a montagem de material refratário. A partir da criação de um modelo numérico da estrutura e da especificação das cargas atuantes em sua situação extrema, é adotado um método de otimização para a realização do redimensionamento do pórtico, que resultam em uma geometria que atende aos requisitos de projeto definidos pelo engenheiro responsável pelo dimensionamento inicial. Após o processo de otimização, é então realizada uma análise local na região crítica da estrutura com o fim de redimensionar a união soldada para trazer maior segurança ao pórtico.This project has the aim of reducing the mass of a metallic structure that has the function of lifting one of its rice husk furnaces to its installation location, keeping its maximum von Mises stress below the maximum stress achieved in the original model throughout its activity. Parting from the creation of a numerical model of the structure and the specification of the loads acting in a extreme situation, an optimization method is adopted to carry out the resizing of the frame, which results in a geometry that meets the design requirements, defined by the responsible engineer for the original design. After the optimization process, a local analysis is carried out in the critical region of the structure in order to resize the welded joint to maintain security to the frame
Proposition of structural improvement to reduce vibration amplitude in a shunt reactor tank walls
No full textO excesso de vibração é o principal responsável por falhas mecânicas em reatores de derivação, sendo assim necessário o controle desse comportamento mecânico para garantir a vida útil do equipamento. Neste trabalho, foi realizado um estudo para reduzir a amplitude de vibração em paredes de um tanque de reator de derivação que excedeu o limite imposto pela norma IEC 60076-6:2007. A máxima amplitude de vibração foi verificada por meio de ensaio experimental e foi feita a modelagem do problema pela teoria clássica de placas, simplificando o modelo para simulação numérica. O modelo mostrou-se adequado uma vez que apresentou diferença de somente 2,4% entre o valor medido experimentalmente e o resultado numérico. Através de simulações de elementos finitos em ANSYS Mechanical APDL, foram inseridos diferentes perfis comerciais, U, I e cantoneira, para determinar a solução mais viável economicamente, trazendo os benefícios necessários a estrutura. O perfil U 76,2 x 4,33 mm, mostrou-se o mais adequado, tendo reduzido a amplitude máxima de vibração de 500 μm para 163 μm, abaixo do requerido pela norma, de 200 μm. Além disso, não foi identificada possibilidade de falha por fadiga na estrutura quando inserido este perfil, que também apresentou o menor custo de material para implementação, de R 58,15
Análise estática pelo método dos elementos finitos de uma estrutura para movimentação de cargas
No full textA movimentação de cargas é uma opção viável e vantajosa em diversos contextos industriais, tornando-se essencial em empresas de diversos segmentos. O objetivo do presente trabalho é analisar, pelo método de elementos finitos, uma estrutura metálica com três eixos destinada à elevação e movimentação de cargas de até 1962 N e determinar se o equipamento está dimensionado de forma correta para as condições operacionais para o qual será atribuído. O projeto mecânico foi desenvolvido no software CAD 3D SolidWorks® e a análise estática não-linear pelo método de elementos finitos foi realizada no software COMSOL Multiphysics®. Os estudos foram abordados com base em três possíveis posições de trabalho dispostos na altura máxima permitida de operação. Os resultados obtidos através das simulações foram satisfatórios, uma vez que a tensão máxima calculada na estrutura não ultrapassou a tensão admissível do material considerada na análise.Load handling is a viable and advantageous option in several industrial contexts, becoming essential in companies from different segments. The objective of this work is to analyze, using the finite element method, a metallic structure with three axes intended for lifting and handling loads of up to 1962 N in order to determine whether the equipment is correctly designed for the operating conditions to which it will be assigned. The mechanical design was developed in 3D CAD software SolidWorks® and the non-linear static analysis with the finite element method was performed in COMSOL Multiphysics® software. The studies were examined based on three possible working positions placed at the maximum permitted height of operation. The results obtained through the simulations were satisfactory since, the maximum stress computed in the structure did not exceed the admissible stress of the material
