Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Paulo Manuel Salgado Tavares de Castro

Submitted by Cesare Fiorini (gerson.fiorini@gmail.com) on 2017-01-13T13:37:10Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_Cesare Fiorini.pdf: 10365608 bytes, checksum: 10cda96f30689edb43a511848179819f (MD5) / Approved for entry into archive by Flávia Sousa (flaviabs@ufba.br) on 2017-01-13T16:38:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_Cesare Fiorini.pdf: 10365608 bytes, checksum: 10cda96f30689edb43a511848179819f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-13T16:38:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_Cesare Fiorini.pdf: 10365608 bytes, checksum: 10cda96f30689edb43a511848179819f (MD5) / CAPES / A fotoelasticidade é uma das técnicas experimentais mais antigas. Nova atenção é dada hoje a esse método devido aos progressos da fotoelasticidade digital. Nessa dissertação é apresentada o estudo de uma ligação metálica, constituída por uma viga perfil I em balanço, ligada a coluna por meio de solda e parafusos, e sujeita a carregamento concentrado na extremidade livre. O objetivo principal desse estudo é analisar a junção metálica com a fotoelasticidade de recobrimento e avaliar a aplicabilidade dessa técnica por esse tipo de conexão. Sucessivamente são expostos os fundamentos teóricos junto com a formulação matemática da fotoelasticidade clássica e as evoluções alcançadas pela fotoelasticidade digital. Foram apresentados, também com base na literatura, os princípios teóricos do método aos elementos finitos assim como do processamento e análise digital de imagens no espaço de cor RGB, além de descrever as características das ligações metálicas com base nas normativas técnicas. A metodologia aplicada envolveu a análise teórica, experimental e numérica. O arranjo experimental é constituído por um polariscópio circular em campo escuro e com luz branca. Nos ensaios de laboratório foram produzidas manualmente as lâminas fotoelásticas em Araldite, assim como foram realizados os testes de calibração sobre os espécimes. Os testes de flexão simples sobre o corpo de prova foram executados com quatro níveis de carga. As regiões investigadas foram a mesa superior da viga, a alma e a chapa de topo. Foi feito um registro fotográfico para analisar a distribuição das franjas isocromáticas nas regiões investigadas e determinar as diferenças das tensões principais. Paralelamente foi desenvolvido um programa de tratamento de imagem, escrito em Matlab®, capaz de fornecer o valor da constante fotoelástica, para o tipo de modelo mecânico utilizado. A solução numérica, em regime elástico-linear, foi produzida com a proposta de um código escrito em Ansys®. Na mesa superior a resposta numérica comparada com a experimental mostrou um erro menor a 10 % em termos de estado de tensões. Mostra-se também o potencial didático dessa técnica com a proposta de alguns exercícios. / ABSTRACT: Photoelasticity is one of most ancient experimental techniques for stress analysis. New attention is given to this method due to progress of digital photoelasticity. This dissertation investigates a mixed steel junction beam-column by using reflection photoelasticity. A cantiliver beam I profile, bolted and welded to column, is subject to concentrated load on free extreme. Main proposal is to analyse the steel junction and assess feasibility of this technique for this kind of connection. Successively, theoeritical foundation is exposed with mathematical formulation of classic photoelasticity. Progress has been reached by digital photoelasticity. Based on literature, theoretical principles of finite element method were exposed, as well as digital image processing and analysis, in RGB colour space. Besides, caracteristics of steel junction are described with base on technical normative. The applied methodology used theoretical, experimental and numeric analyis. Experimental equipment used is a circular polariscope in black field with white light. In laboratory test photoelastic film in Araldite were prepared by hand, such as were made calibration setup testing of photoelastic film on especimens. Simple bending tests were applied wtih four level of loads on the model. Investigated areas were beam upper flange, beam web and beam plate. A photographic register was made to analyse distribution of isocromatic fringes and determinate principal stress difference. In parallel, a non comercial algorithm, written in Matlab®, process data to determinate the fringe value photoelastic constant. The finite element numerical analysis was realized considering elastic-linear conditions and was written with commercial software ANSYS®. On the beam upper flange numerical and experimental results showed a difference lower than 10 % as stress state. Didactic potential associated to this technique is showed with a proposal of some exercises.

Durante os últimos anos tem-se observado um aumento crescente no uso de materiais compósitos. Isto se deve principalmente devido às vantagens que os mesmos apresentam em relação aos materiais convencionais tais como: alta resistência e rigidez associado à elevado desempenho estrutural, baixo peso e boa resistência à corrosão e oxidação, dentre outros. Contudo, o uso de materiais compósitos em projetos estruturais exige um bom conhecimento de suas propriedades elásticas e ferramentas adequadas para análise de falhas destes materiais. Algumas ferramentas comerciais já foram desenvolvidas, entretanto estas ferramentas apresentam arquitetura fechada que, na maioria das vezes, não permitem implementações específicas para as necessidades de cada usuário. Este trabalho desenvolve um sistema computacional para cálculo de propriedades elásticas e estadas de tensão - deformação nas diferentes camadas de laminados poliméricos, utilizando plataforma JAVA em código aberto e de baixo custo. Após a entrada dos dados de materiais e seqüência das lâminas, o sistema calcula as propriedades elásticas bem como o estado de tensões e deformações nas diferentes camadas, propiciando assim a aplicação de diferentes critérios de falhas. O sistema foi validado em estudos de caso da literatura com resultados satisfatórios. / During the past years a growing increase in the use of composite materials has been observed. This is due mainly to the advantages they present in relation to conventional materials such as: high strength and stiffness associate with low weight, good resistance to corrosion and oxidation and others. However, the use of composites in structural applications demands a good knowledge of their elastic properties as well as computational tools for failure analysis of these materials. Some commercial tools have been already developed, however these packages do not allow specific users implementations. This work develops a computational system for calculation of elastic properties and stress analysis along the different layers of a polymeric laminate, using JAVA platform in open code with low cost. After the material data input and laminate sequence, the system calculates the elastic properties as well as the stress state in the different layers, thus allowing the application of different failure criteria.

A técnica da fotoelasticidade pode ser particularmente útil na análise de tensões em sistemas com geometrias complexas. Em um equipamento chamado polariscópio, um feixe de luz polarizada atravessa o modelo fotoelástico que representa o protótipo. Ao submeter este modelo a um carregamento, faixas de diferentes cores poderão ser visualizadas. Cada cor é associada a um nível de tensão. As tensões observadas no modelo fotoelástico podem ser comparadas com as tensões determinadas nos modelos numéricos ou analíticos. Em casos específicos, o problema da distribuição de tensões em uma fundação pode ser analisado com emprego da fotoelasticidade. A análise do comportamento de estacas helicoidais através da técnica da fotoelasticidade pode ser então de grande valia para estudos mais aprofundados deste sistema. O principal objetivo desta pesquisa foi viabilizar este método experimental para ser aplicado no Departamento de Geotecnia da EESC em análises de tensões em sistemas geotécnicos. Para validar as análises experimentais, tensões observadas em modelos de geometria simples foram comparadas com as tensões determinadas por meio de modelagem numérica com o método dos elementos finitos. O comportamento da fundação por estaca helicoidal observado pela técnica da fotoelasticidade mostrou semelhança ao observado na modelagem numérica. Por meio da distribuição de tensões, foi possível avaliar a influência da geometria helicoidal da lâmina e da profundidade de instalação da ancoragem no terreno. / The photoelastic method can be particularly useful for stress analysis with complex geometry systems. In equipment called polariscope, a polarized light beam crosses the photoelastic model that represents the prototype. Submitting this model to a load, fringes of different colors can be visualized. Each color is associated to a stress level. The stresses corresponding to the observed fringes on the photoelastic model can be compared to the stresses obtained through analytical or numerical models. In specific cases, the stress distribution problem can be analyzed with the use of photoelasticity. The photoelastic analysis of the helical pile behavior can then be valuable for further studies of this system. The main objective of this research was enabling this experimental method to be applied in the Department of Geotechnical Engineering of EESC in geotechnical systems stress analysis. To validate the experimental analysis, stresses observed in simple geometry models have been compared to those stresses determined by numerical modeling with the finite element method. The observed behavior of the helical pile foundation by photoelastic method showed similarity to that one observed through numerical modeling. Stress distribution analyses allowed evaluating the influence of helical blade geometry and the depth of installation.

Durante os últimos anos tem-se observado um aumento crescente no uso de materiais compósitos. Isto se deve principalmente devido às vantagens que os mesmos apresentam em relação aos materiais convencionais tais como: alta resistência e rigidez associado à elevado desempenho estrutural, baixo peso e boa resistência à corrosão e oxidação, dentre outros. Contudo, o uso de materiais compósitos em projetos estruturais exige um bom conhecimento de suas propriedades elásticas e ferramentas adequadas para análise de falhas destes materiais. Algumas ferramentas comerciais já foram desenvolvidas, entretanto estas ferramentas apresentam arquitetura fechada que, na maioria das vezes, não permitem implementações específicas para as necessidades de cada usuário. Este trabalho desenvolve um sistema computacional para cálculo de propriedades elásticas e estadas de tensão - deformação nas diferentes camadas de laminados poliméricos, utilizando plataforma JAVA em código aberto e de baixo custo. Após a entrada dos dados de materiais e seqüência das lâminas, o sistema calcula as propriedades elásticas bem como o estado de tensões e deformações nas diferentes camadas, propiciando assim a aplicação de diferentes critérios de falhas. O sistema foi validado em estudos de caso da literatura com resultados satisfatórios. / During the past years a growing increase in the use of composite materials has been observed. This is due mainly to the advantages they present in relation to conventional materials such as: high strength and stiffness associate with low weight, good resistance to corrosion and oxidation and others. However, the use of composites in structural applications demands a good knowledge of their elastic properties as well as computational tools for failure analysis of these materials. Some commercial tools have been already developed, however these packages do not allow specific users implementations. This work develops a computational system for calculation of elastic properties and stress analysis along the different layers of a polymeric laminate, using JAVA platform in open code with low cost. After the material data input and laminate sequence, the system calculates the elastic properties as well as the stress state in the different layers, thus allowing the application of different failure criteria.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação da Prof.ª Doutora Lúcia Dinis

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-12Bitstream added on 2014-06-13T19:07:18Z : No. of bitstreams: 1 monteiro_fl_me_guara.pdf: 2693716 bytes, checksum: 79334c2a393c7aaa40e71c0ef9ab7905 (MD5) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / Estudo de falha por fratura em eixo da laminadora de aros Leifeld, fabricado em aço de baixa liga e alta resistência, ABNT 4340, forjado, temperado e revenido, com dureza de 39 HRc, abordando aspectos de modelagem pelo método de elementos finitos, utilizando o programa Ansys e critérios de fadiga utilizando o diagrama de Goodman modificado como ferramenta de definição do limite de tensão alternada para fadiga e propostas de mudanças geométricas no eixo a fim de minimizar as tensões sobre a aba da árvore bem como eliminar a possibilidade de fratura por fadiga da mesma. O estudo procura mostrar de forma clara a montagem de um modelo sólido através de um software comercial e a interação com a realidade vivida na manutenção de fábrica, sendo que o estudo surgiu devido a falhas freqüentes e prematuras de árvores em máquinas de repuxamento de aros, de procedência alemã, usada para a fabricação de aros para pneu com câmara utilizados em caminhões e ônibus, máquina esta de propriedade da empresa Maxion Sistemas Automotivos S/A. / This is a fracture failure analysis of a Leifeld flow forming machine spindle, manufactured in a low alloy and high resistance, ABNT 4340 steel, forged, quenched and tempered with hardness of 39 HRc, approaching modeling aspects in finite elements method using the program Ansys and also approaching fatigue criteria using the diagram of Goodman modified as a tool for definition criterion of fatigue alternate stress limit and proposed of geometric changes in the spindle in order to minimize the tensions on the brim of it as well as to eliminate the fracture possibility for fatigue of the same. The study tries to show the assembly of a solid model in a clear way through a commercial software and the interaction with the reality lived in the factory maintenance, the study was proposed due the frequent and premature spindles failures in the flow forming machine, made in Germany, used for the production of rim for tire with tube used in trucks and buses, this machine is property of Maxion Sistemas Automotivos S/A company.

No presente trabalho, foi implementada uma formulação de otimização topológica com o objetivo de encontrar o mínimo volume de estruturas contínuas bidimensionais, em estado plano de tensão, sujeitas à restrição de tensão de von Mises. Foi utilizado o Método dos Elementos Finitos para discretizar o domínio, com o elemento não conforme de Taylor. A tensão foi suavizada, calculando-se um valor de tensão para cada nó do elemento. O fenômeno da singularidade foi contornado através do método de relaxação da tensão, penalizando-se o tensor constitutivo. Foi usada uma única medida de tensão global, a normap, resultando na redução do custo computacional do cálculo das sensibilidades. As sensibilidades da função objetivo e da restrição de tensão foram calculadas analiticamente. O problema de otimização topológica foi resolvido por um algoritmo de Programação Linear Sequencial. Os fenômenos da instabilidade de tabuleiro e da dependência da malha foram contornados pela utilização de um filtro de densidade linear. A formulação desenvolvida foi testada em 3 casos clássicos. No primeiro deles, foi testada uma viga curta em balanço, submetida a 3 diferentes tipos de penalização da função objetivo, obtendo-se uma estrutura com 27% do volume inicial, com reduzido número de elementos com densidades intermediárias. No segundo caso, foi testada a mesma estrutura submetida à flexão, chegandose a uma topologia bem definida no formato de duas barras, com 16,25% do volume inicial. No terceiro caso, em que foi utilizado um componente estrutural em formato de “L”, justamente por favorecer o surgimento de concentração de tensão em sua quina interna, o otimizador gerou uma estrutura bem definida, permanecendo, contudo, uma pequena região de concentração de tensão na topologia final. / A topology optimization formulation to search for the minimum volume of twodimensional linear elastic continuous structures in plane stress, subject to a von Mises stress constraint, was implemented in this study. The extended domain was discretized using Taylor nonconforming finite element. Nodal values of the stress tensor field were computed by global smoothing. A penalized constitutive tensor stress relaxation method bypassed the stress singularity problem. A single p-norm global stress measure was used to speed up the sensitivity analysis. The sensitivities of the objective function and stress constraints were derived analytically. The topology optimization problem was solved by a Sequential Linear Programming algorithm. A linear density filter avoided the checkerboard and the mesh dependence phenomena. The formulation was tested with three benchmark cases. In the first case, a tip loaded short cantilever beam was optimized using a sequence of three different objective function penalizations. The converged design had approximately 27% of the initial volume, with a small proportion of intermediate densities areas. In the second case, the same domain was subjected to shear, resulting a well defined two-bar design, with 16.25% of the initial volume. In the third case, an L-shape structure was studied, because it has a stress concentration at the reentrant corner. In this last case, the final topology was well-defined, but the stress concentration was not completely removed.

O crescimento da produção de petróleo em alto mar tem elevado a utilização de Risers flexíveis. Fazendo a conexão entre o poço e a plataforma, estes dutos estão sujeitos aos severos carregamentos causados pela superposição dos esforços mecânicos com o ambiente corrosivo. Deste modo, torna-se de grande importância, o monitoramento da integridade estrutural de Risers flexíveis para a Indústria petrolífera. Neste trabalho, foram desenvolvidas metodologias de caracterização do estado de tensões de arames da armadura de tração de Risers flexíveis de seis polegadas. Através do monitoramento de ensaios de tração foi testada a influência das variações de carregamento, microestrutura e afastamento entre o sensor e o material ferromagnético (Lift off) nas medidas micromagnéticas. Os resultados mostraram a grande aplicabilidade dos métodos micromagnéticos, separando os efeitos das variações de tensões e microestruturais. Analisando-se diferentes técnicas, foram obtidas correlações entre os carregamentos e as tensões (determinadas através da técnica micromagnética) superiores a 90%. Bons resultados também foram obtidos nas análises da influência do Lift off, onde, apesar da grande atenuação de sinais, obteve-se boas correlações entre propriedades mecânicas e micromagnéticas. / The constant growing of the offshore oil production has increase the use of Flexible Risers. Acting as the connection between the well and the platform, these pipelines are subjected to a superposition of mechanical loads and corrosive environment. In this sense, the development of more reliable systems for monitoring the structural integrity of Flexible Risers is becoming more important. This work aims the development of non destructive methodologies for the analysis of the stress state in the steel wires that forms the tensile armor of a six inch Flexible Riser. Through the monitoring of tensile tests, the influences of the load, microstructure and Lift off variations in the micromagnetic measurements had been analyzed. The results showed the good applicability of the micromagnetic methods, in sorting the microstructure effects from the stress analysis. Using the multi - technique approach, a good correlation (up to 90%) between load stress and the NDT stress (determined through the micromagnetic technique) had been found. The Lift off analysis showed promising results too, where, despite the high signal attenuation, good correlations between mechanical and micromagnetic properties had been observed.