Este trabalho apresenta a análise de tensões e deslocamentos de uma fuselagem semi-monocoque através do método dos elementos finitos. Os diversos modelos utilizados nas análises possuem variações a partir de dois modelos básicos. O primeiro modelo considera o modelamento de cavernas e reforçadores como elementos de barra. O segundo modelo considera que somente os reforçadores devem ser modelados com elementos de barra; as cavernas, neste modelo, são modeladas com elementos de placa. As variações consideradas são: modelamento e não modelamento dos shear clips, presença e ausência de offsets nos reforçares e discretização da malha (malhas mais grosseira e malhas mais refinidas). Os resultados obtidos mostram que a quantidade e qualidade da malha influenciam muito mais os resultados do que presença ou não de offsets. Modelos com mesma malha, porém com diferença entre os offsets, possuem resultados muito próximos. A modelagem ou não dos shear clips influência na rigidez da estrutura e conseqüentemente deve ser modelado para melhor representar a estrutura real.

O presente trabalho tem como objetivo o projeto preliminar da fuselagem e trem de pouso de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) em desenvolvimento pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). Com base em dados fornecidos pelas equipes de projeto do ITA, foi elaborada uma fuselagem não convencional de estrutura formada por tubos de fibra de carbono unidos por juntas de alumínio. Além da fuselagem, foi realizado o projeto do trem de pouso em alumínio. As concepções da fuselagem e do trem foram submetidas a uma análise estrutural com o objetivo da obtenção de um pré-dimensionamento de seus componentes mais relevantes. Esse dimensionamento foi baseado em um cálculo de cargas em que os dados foram fornecidos pela equipe de mecânica do vôo.

As limitações do método dos elementos finitos clássico, baseado em elementos de deslocamento, principalmente em situações onde a precisão na aproximação das tensões são fundamentais, geram pesquisas em modelos alternativos. O elemento finito híbrido de Trefftz vem sendo aplicado com resultados satisfatórios na análise de estruturas de material isotrópico de comportamento linear e não-linear. Neste elemento o campo de tensões no domínio e o deslocamento no contorno são aproximados diretamente e de maneira independente um do outro, além disso, as aproximações para o campo de tensões devem satisfazer à condição de equilíbrio local e serem obtidas da solução da equação diferencial de Navier, onde utiliza-se a solução por Papkovitch-Neuber que foi formulada para materiais isotrópicos. Utilizando-se as mesmas bases polinomiais deste elemento, foi desenvolvido um elemento quase-Trefftz para análise de materiais ortotrópicos. Neste trabalho seu comportamento é avaliado para análise de estruturas com concentração de tensão, placas sujeitas a flexão e com acoplamento tração-flexão. As tensões e os deslocamentos em diversos testes são comparados aos resultados obtidos com o Nastran.

The present work is concerned with studying fluid-structure interaction problems using a high-fidelity representation for the fluid. In particular, the research aims to analyze the aeroelastic behavior of rigid airfoils and cylinders with elastic constraints, with emphasis in the effects of the inclusion of viscous terms in the aerodynamic formulation. The aerodynamic operator is constructed from the results of flow simulations using a computational fluid dynamics (CFD) tool which solves the 2-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with appropriate turbulence closures. Both low and high Reynolds number flow conditions are addressed in the present investigation. An in-house developed CFD solver is used for the simulations. Studies of low Reynolds number flows are directed towards addressing the physical phenomena present in the wake of cylinders, as well as their effects on the bodies present in the flow. The typical applications of interest in such cases are vortex-induced vibration problems which can arise in many practical scenarios, ranging from satellite launch vehicles at the launch platform to underwater risers in the petroleum industry. The study of such low Reynolds number flows has also been used as a building block in the process of developing the computational tools for addressing the fluid-structure interaction problems of interest here, since the computational requirements in such cases are much less stringent. Studies performed at high Reynolds number flows are directed towards typical aeroelastic stability analyses of lifting surfaces at transonic conditions. The aeroelastic system of interest is represented by a rigid NACA 0012 airfoil-based typical section with both plunge and pitch elastic degrees of freedom. Root locus stability analyses of the aeroelastic system are performed in order to predict the flutter onset point for a given flight condition. Results obtained in the present work indicate that the simulation capability implemented is adequate for handling the fluid-structure interaction problems of interest. However, as expected, computational requirements become very severe for the high Reynolds number flows and several numerical techniques have to be brought to bear in order to allow treatment of such aeroelastic problems in a sufficiently efficient manner.

Em diversas áreas da engenharia são encontrados problemas que devem ser analisados sob enfoque térmico. Problemas em que o processo térmico influencia no desempenho, durabilidade e segurança merecem uma análise cuidadosa. O processo de soldagem a arco elétrico é um caso em que o ciclo térmico provoca o aparecimento de indesejáveis tensões residuais. A determinação deste ciclo térmico é o primeiro passo para uma análise termomecânica que permitirá o cálculo das tensões residuais. Este trabalho descreve a formulação de um elemento de transferência de calor 2D com distribuição parabólica de temperatura na espessura, incluindo um procedimento de estabilização. O elemento 2D descrito neste trabalho pode ser usado para realizar análises térmicas de maneira mais econômica do que elementos 3D, especialmente em placas, pois o número de graus de liberdade através da espessura será sempre três. Como aplicação do elemento, um modelo numérico de um processo de soldagem TIG foi desenvolvido baseado em resultados experimentais publicados. O tamanho e a distribuição da fonte de calor, propriedades térmicas dependentes da temperatura, perdas de calor nas superfícies por convecção e calor latente de fusão foram considerados no modelo. Em paralelo, o mesmo processo foi modelado usando o software ANSYS com elementos 3D (SOLID70) para possibilitar a comparação com os resultados numéricos do modelo 2D. Os resultados obtidos com os modelos 2D, 3D e os dados experimentais mostraram boa concordância.

O objetivo deste trabalho é propor modelos de elementos finitos que prevejam a ruptura de um olhal de material compósito sob determinada carga. Para isso, consideraram-se os resultados encontrados na literatura para orientar os parâmetros estruturais e resultados obtidos. Utilizou-se o critério de falha de Tsai-Hill e aplicou-se o método de degradação da propriedade do material de apenas degradar as propriedades de resistência do material de acordo com o modo de falha do olhal. O caminho da ruptura também foi obtido.

O objetivo do trabalho é a obtenção dos fatores de amplificação de tensões gerados por carregamentos mecânicos e térmicos em um material compósito, utilizando-se da teoria micro-mecânica e modelagem por elementos finitos. A teoria micro-mecânica se distingue de estudos macro-mecânicos por levar em conta as diferenças de propriedades dos constituintes do material compósito. Considerando as individualidades dos constituintes é possível caracterizar os níveis de tensões em cada um dos materiais e em sua interface. Partiu-se da modelagem tridimensional por elementos finitos de um volume representativo convencional e foram realizadas simplificações, mostrando que modelos mais simples podem ser utilizados sem prejuízo da análise. Diversos resultados numéricos são obtidos e comparados com a literatura. .

This dissertation aims to apply piezoelectric materials as actuator and sensor to perform aeroelastic analysis. Two semi-span wing models based on flat plates with different characteristics were tested using PZT (Lead Zirconate Titanate) as actuator, PVDF (Polyvinylidene Fluoride) as sensor and the results were compared with vibrometer laser results. An aluminum model with a ballast on the wing tip, whose its location can be modified was tested in experimental modal analysis. Using the aluninum model, an investigation about aeroelastic behaviour was conducted in wind tunnel and the V-g/V-f diagram determined. This diagram shows the aeroelastic evolution of the natural frequencies and damping as function of speed (or dynamic pressure). In this aeroelastic analysis, the ability of the PVDF in determining the V-g/V-f diagram was evaluated. A numerical model of composite flat plate was generated considering the piezoelectric instrumentations. The second specimen tested corresponds to composite wing models that are based on laminate composite flat plate. Five models with different fiber orientations were tested in (pure) experimental modal analyses and wind tunnel, hence, the capability of excitation of PZT was verified. Good results were obtained regarding the estimation of natural frequency and damping factor using a single PVDF element. The application of PZT as actuator in the wind tunnel test showed improvement on the data acquisition in terms of noise. However, were observed some characteristics that require careful. As support to experimental tests, several studies were performed.

Este trabalho se direciona na construção de um modelo detalhado de elementos finitos da Câmara de empuxo do motor L15 a propulsão líquida. O sistema estrutural compõe-se das seguintes partes: tubeira, suporte, garganta, cinta de resfriamento e câmara de combustão. A pré-análise, apresentada neste trabalho, ajuda a compreender e prever a influência das deformações e respectivas tensões, antes da construção de um protótipo para ensaio reduzindo esforços, custos e permitindo uma visão com boa margem de segurança sobre os resultados que serão obtidos com os testes práticos. A análise teórica da estabilidade de um sistema, assim como também, a simulação de sua operação, requer a elaboração de um modelo matemático para descrever, sempre com algum nível de aproximação, os fenômenos mais importantes do sistema real. No presente trabalho, esta modelagem é feita pelo "software" MSC. "Patran/Nastran V.2004" através da criação de modelos geométricos e a geração de malha com materiais diversos. É possível por meio do "software" utilizado, prever as tensões em áreas críticas, melhorar a qualidade dos resultados através do refinamento de malha. O método proporciona uma redução significativa no tempo e no esforço necessário para a realização da análise estrutural. Os resultados foram comparados com valores obtidos para tensão de escoamento e ruptura dos materiais, e margens de segurança foram determinadas.

A flexão é um problema já há muito conhecido pelos engenheiros e cientistas. A evolução dos aviões e veículos espaciais exigiu que estes se tornassem cada ver mais leves, mas isto fez com que a rigidez estrutural fosse sacrificada. Por isso, a flexão deixou de ser um problema a ser evitado, e passou a ser assunto comum em projetos atuais, sendo necessário conhecê-la, para decidir posteriormente se é necessário realizar o seu controle, ou simplesmente filtrá-la para que esta não interfira nas leituras dos sensores da aeronave ou do foguete em questão. O que este trabalho objetiva é apresentar uma metodologia de ensaios em mesa rotativa para excitação dos modos flexíveis de um corpo qualquer, e medir as frequências de ressonância e os coeficientes de amortecimento deste através do uso de extensômetros. Como exemplo, as técnicas foram aplicadas a duas barras de aço e foram coletados resultados que possuíam qualidade suficiente para construir um conjunto de polinômios que descrevesse o comportamento dinâmico dessas barras.