A caracterização de materiais utilizando a técnica de indentação instrumentada difundiu-se significativamente na última década, devido às melhorias dos instrumentos que permitem ensaios por esta técnica e à necessidade de se fazer ensaios em pequenos volumes de materiais, como, por exemplo, em filmes finos e materiais com superfícies modificadas por tratamentos superficiais. Neste texto, abordou-se a elaboração de um algoritmo que permita o estudo da resposta de indentação de superfícies de diferentes materiais metálicos, durante e após o contato com um indentador agudo, empregando simulações por elementos finitos e análise dimensional. Na obtenção do algoritmo analisaram-se os efeitos da formação de borda (pile-up) ou da retração (sink-in) do material indentado, o coeficiente de atrito indentador-amostra, as deformações elásticas do indentador, a geometria do indentador e a variação experimental. As relações obtidas permitiram identificar uma falta fundamental de relação única entre as propriedades mecânicas e a forma da curva de indentação para curvas com razão d r/dmax>0,9, onde d r é a profundidade residual da indentação e dmax é o deslocamento máximo do indentador durante o ensaio. Da mesma forma, concluiu-se que a relação de Sneddon tem que ser corrigida tanto pela geometria da área de contato indentador-amostra quanto pela razão entre os módulos elásticos do material e do indentador (E/Ei). Como a área de contato indentador-amostra é afetada não só pela geometria do indentador mas também pelo nível de pile-up ou sink-in nos indentadores piramidais, uma relação foi identificada entre o nível de pile-up/sink-in e o fator de correção b da equação de Sneddon para os indentadores Vickers e Berkovich. Adicionalmente, pequenas diferenças foram observadas entre as curvas P-h (onde h é a profundidade de indentação abaixo da superfície original da amostra) e as curvas P-d (onde d é o valor da aproximação mútua entre indentador e amostra durante a indentação) para um mesmo valor de módulo reduzido Er quando a razão E/Ei é grande. Assim, o módulo reduzido pode sobreestimar ou subestimar a rigidez do indentador, dependendo das propriedades do material indentado. As análises neste trabalho permitiram igualmente observar que as principais limitações na obtenção das propriedades elasto-plásticas usando a curva de indentação instrumentada vêm da falta de unicidade, seguida pela geometria do indentador, isto é, diferenças entre o cone equivalente e os piramidais Vickers e Berkovich, assim como desvios em relação à geometria ideal do indentador, o que inclui arredondamento da sua ponta. Quando não há unicidade, sabendo-se informações adicionais à curva P-d, por exemplo, o valor da área residual da indentação ou o módulo elástico, uma solução única das propriedades mecânicas pode ser obtida. Em paralelo, a variação experimental pode limitar de forma significativa a precisão no cálculo das propriedades, enquanto o atrito indentador-amostra e as deformações do indentador têm efeitos menos significativos. Em termos gerais, observa-se que as funções que compõem o algoritmo desenvolvido neste trabalho permitem: (i) predizer as curvas carga-deslocamento (curvas P-d), produto do ensaio de indentação instrumentada, para um conjunto de propriedades elasto-plásticas conhecidas; (ii) identificar quando uma mesma curva P-d pode ser obtida de mais de um conjunto de propriedades do material indentado (iii) calcular as propriedades mecânicas (dureza, módulo elástico, coeficiente de encruamento e limite de escoamento) de um material usando a curva P-d quando d r/dmax<0,8 ou faixas de propriedades de materiais quando d r/dmax>0,8 e (iv) calcular as propriedades mecânicas (dureza, módulo elástico, coeficiente de encruamento e limite de escoamento) de um material usando a curva P-d e a área residual da indentação. / The interest in material characterization using instrumented indentation techniques has significantly increased in the last decade, due to improvements in testing instruments and the need to carry out tests on small volumes of materials, such as thin films or materials with surfaces modified by other surface treatments. This work addresses the development of an algorithm to analyze the indentation response of a group of metallic materials, during and after the contact with a sharp indenter, using finite element simulations and dimensional analysis. The formulation of the algorithm considered the effects of pile-up or sink-in of the indented material around the indentation, the friction coefficient between the indenter and the sample, the elastic deformation of the indenter, and the defects of the indenter tip. An analysis considering algorithm output and experimental variation was also conducted. The results allowed identifying a fundamental lack of unique relationship between the mechanical properties and the shape of the indentation curve for indentation curves with ratio d r/dmax>0,9, where d r is the residual indentation depth and dmax is the maximum indenter displacement in the test. Similarly, results allowed concluding that Sneddons equation requires a correction by both the geometry of the contact area and the ratio between the elastic moduli of the material and the indenter (E/Ei). As the shape of contact area is affected not only by the geometry of the indenter but also by the level of pile-up or sink-in in pyramidal indenters, a relationship was observed between the level of pile-up/sink-in and the correction factor b in the Sneddons equation for Vickers and Berkovich indenters. Additionally, it was found that the deformation of the indenter is not fully incorporated into indentation data analysis by the consideration of a reduced modulus (Er). Small differences between P-h curves (where h is the indentation depth below the original surface) and P-d curves (where d is the indenter/sample mutual approach) were observed for the same Er when the ratio E/Ei is large. Thus, the reduced modulus can overestimate or underestimate the indenter stiffness, depending on the mechanical properties of the indented material. Additionally, the analysis in this work has identified that the most important limitations in mechanical properties estimation using the indentation curve arise from the lack of uniqueness, followed by deviations in indenter geometry, such as differences between equivalent cone and pyramidal Vickers or Berkovich and tip defects. When non-uniqueness is present, unique solution may be obtained with the knowledge of additional information, in conjunction with P-d data, such as the residual indentation area or the elastic modulus. Furthermore, even when a unique solution is available the experimental variation may significantly decrease the accuracy in mechanical properties estimation, whereas friction and indenter deformation have less significant effects. In general, it was observed that the proposed algorithm allows: (i) predicting the load-displacement curves P-d of instrumented indentation tests for a set of known elastic-plastic mechanical properties, (ii) identifying when the same P-d curve can be obtained from more than one set of mechanical properties of the indented material, (iii) calculating the mechanical properties (hardness, elastic modulus, yield stress and strain hardening coefficient) from P-d curves when d r/dmax<0,8 or possible ranges for each mechanical property when d r/dmax>0,8 and (iv) calculating the mechanical properties (hardness, elastic modulus, yield stress and strain hardening coefficient) from P-d curves and the knowledge of the residual indentation area.

O método dos elementos de contorno (MEC) surgiu como uma poderosa alternativa ao método dos elementos finitos (MEF) principalmente em casos como problemas de concentração de tensões ou onde o domínio se estende para o infinito. Em virtude das potencialidades já identificadas do MEC para a solução de problemas da geotecnia, em especial para problemas de túneis, este trabalho tem como objetivo desenvolver um programa que seja capaz de analisar as variáveis envolvidas na construção de túneis profundos através de um modelo numérico bidimensional baseado no MEC, implementando técnicas numéricas tais como: subelementação, técnica da sub-região e modelagem de inclusão e enrijecedores. O modelo numérico bidimensional foi calibrado para considerar o efeito tridimensional do problema de túneis no que se refere ao avanço da frente de escavação, para dois casos a saber: i) túneis sem suporte e ii) túneis com suporte. Os resultados mostraram grande precisão quando comparados com os resultados analíticos mesmo utilizando um número pequeno de elementos, provocando uma redução significativa no tempo de processamento se comparado com outros métodos. A técnica da subelementação produziu uma suavização nos resultados dos pontos internos localizados muito próximos do contorno. A técnica da sub-região, bem como a modelagem de inclusão e enrijecedores apresentaram resultados consistentes dando ao programa uma versatilidade maior. Na calibração dos parâmetros para a consideração do efeito tridimensional na escavação de túneis sem suporte, foi proposto o método da redução do carregamento com a construção do perfil de deformação longitudinal do túnel - LDP (Longitudinal Deformation Profile). Para a escavação de túneis com suporte foram propostos quatro métodos de análise: i) método da redução do carregamento sobre o túnel, ii) método da redução de rigidez do suporte, iii) método do acréscimo do carregamento sobre o túnel e iv) método do alívio de carga sobre o suporte. Todos esses métodos foram desenvolvidos a partir do modelo Kappa (\'kapa\'), elaborado neste trabalho a partir dos resultados encontrados na simulação numérica tridimensional realizado nos programas BEFE e BEFE++, e comparado com o modelo de Schwartz e Einstein. Por fim, o método para a construção do gráfico de deslocamento radial para túneis circulares suportados, considerando o atraso na instalação do suporte, utilizando um método numérico ou resultado analítico do estado plano de deformação se mostra como uma alternativa simples para análise do efeito tridimensional contido no problema de túneis. / The boundary element method (BEM) has appeared as a powerful alternative to the finite element method (FEM) mainly in the cases where a good accuracy is required, as for problems with strain or stress concentration and problems with domain extending to infinite. The objective of this work is to develop a formulation and the corresponding computational code to analyse the variables in a design of deep tunnels, using a improved BEM two-dimensional numerical model, in which the following techniques were implemented: sub-elementation, sub-region technique, reinforcements introduced by modifying locally the domain rigidity. The two-dimensional model was calibrated to take into account the three-dimensional effects appearing around the tunnel face advance for two cases: i) tunnel without support and ii) tunnel with support. The results showed good accuracy when compared with analytical results even when obtained by using coarse discretizations and therefore requiring less computer time in comparison with other numerical procedures. The sub-elementation technique has smoothed the results for internal points near the boundary. The sub-region technique and the reinforcement inclusions lead to accurate making the computer code reliable. For the parameter calibration to take into account the three-dimensional effects applied to non lined tunnels the method of loading reductions was proposed obtaining a tunnel longitudinal deformation profile - LDP. For the excavation of lined tunnels four methods of analysis were proposed: i) load reduction model, ii) reduction support stiffness model, iii) additional load model, and iv) decrease of lining load model. All these methods were developed from the kappa (\'kapa\') model, developed in this work using three-dimensional results obtained by using the computational systems BEFE and BEFE++ and compared with the Schwartz-Einstein method. Finally the method used to build the radial displacement graphic for lined circular tunnels, taking into account the support insertion delay, using either a numerical method or plane strain analytical solutions, was developed.

Orientador:Ricardo Machado Leite de Barros / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Educação Física / Made available in DSpace on 2018-08-21T23:09:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silvatti_AmandaPiaia_D.pdf: 2153043 bytes, checksum: bfa39ebf2fe3e82ab53b434c5a4e6d8a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Para análises subaquáticas de movimentos tridimensionais é necessária uma calibração precisa de grandes volumes. Métodos baseados em modelos lineares de câmeras são comumente utilizados na biomecânica e para isso faz-se necessário a construção, o transporte e a medição de estruturas rígidas, o que se torna mais difícil quando volumes maiores estão envolvidos. Recentemente, métodos alternativos baseados em modelos não-lineares de câmeras, foram propostos para resolver este aspecto. Assim, os objetivos deste trabalho foram 1) avaliar a exatidão da reconstrução tridimensional fora e dentro da água utilizando o método proposto por Zhang (2000); 2) avaliar a exatidão dos métodos não-lineares para a calibração de câmeras propostos por Hatze, 1988, Cerveri, et al., 1998 e Zhang, 2000 para aplicações com câmeras submersas e os efeitos da variação da posição no volume de calibração sobre a exatidão de reconstrução tridimensional dos métodos e ressaltando, ainda as vantagens e desvantagens de cada método e 3) testar a aplicabilidade dos métodos não-lineares propostos por Cerveri et al., 1998 e Zhang, 2000 para a reconstrução da trajetória da mão de nadadores em diferentes nados. Para aquisição dos dados foi utilizado um sistema de análise cinemática (DVideo), que foi adaptado para aquisição de imagens submersa. O sistema consiste de computadores ligados em câmeras (Basler) para aquisição online de dados. Caixa-estanques especialmente desenvolvidas para o modelos das câmeras foram utilizadas para proteção e um genlocker trigger foi utilizado para a sincronização das câmeras. Tripés para sustentação e fixação das câmeras foram adaptados com ventosas para fixação no fundo da piscina. Para a correção da distorção foram implementados em Matlab os métodos não-lineares para a calibração de câmeras. Um teste de barra rígida foi usado para avaliação da exatidão e precisão. Os resultados mostraram que os métodos propostos por Cerveri et al., 1998 (1,16mm a 0,96mm) e Zhang, 2000 (0,73mm) são alternativas promissoras para análise tridimensional de movimentos subaquáticos. Ambas as metodologias apresentaram resultados com maior exatidão que os encontrados na literatura. Este fato ocorreu devido a uma melhor modelagem da distorção óptica que foi confirmada pela menor influência no erro relativo à posição do objeto no volume de aquisição. Quanto à flexibilidade e portabilidade em relação ao objeto de calibração, ambos os métodos usam objetos mais fáceis de construir e manipular do que os objetos tradicionalmente utilizados. O sistema para a análise tridimensional do movimento utilizando câmeras submersas mostrou-se ser adequado para aplicações subaquáticas. Uma vez que, os resultados aqui relatados podem ser imediatamente apreciados pelos treinadores, pois foi possível identificar simetria ou assimetria entre os dois lados, a variabilidade intra e inter-sujeitos em termos de padrões de movimento e concordância ou discordância com o modelo teórico. Importante ressaltar que existe a possibilidade de extensão da análise para os diferentes segmentos corporais e o sistema e os métodos para a calibração de câmeras apresentados neste trabalho podem ser utilizado para qualquer esporte ou atividade realizada na água, como por exemplo, hidroginásticas ou práticas de reabilitação / Abstract: In order to perform a three-dimensional motion analysis in underwater conditions is necessary to calibrate accurately large volumes. Methods based on linear camera models are commonly used in biomechanics and this requires to construct, to transport and to measurement rigid structures, which becomes more difficult when larger volumes are involved. Recently, alternative methods based on nonlinear camera models have been proposed to address this aspect. The aims of this study were 1) to evaluate the accuracy of 3D reconstruction out and underwater using the method proposed by Zhang (2000); 2) to evaluate the accuracy of nonlinear camera calibration methods proposed by Hatze, 1988, Cerveri, et al., 1998 and Zhang, 2000 for underwater applications using submerged cameras and the effects of object position in the acquisition volume on the accuracy of 3D reconstruction methods, highlighting the advantages and disadvantages of each method, and 3) to test the applicability of the nonlinear methods proposed by Cerveri et al., 1998 and Zhang, 2000 for the reconstruction of the swimmers hand trajectory in different swims styles. For data acquisition, we used a kinematic analysis system (DVideo), which was adapted for underwater conditions. The system consists of cameras (Basler) connected in computers for online data acquisition. Waterproof housings were specially designed to protect the cameras and a genlocker trigger was used to synchronize the cameras. Tripods to support and to fix the cameras were adapted with suction cups and were used to fix them on the swimming pool floor. In order to perform the distortion correction the nonlinear camera calibration methods were implemented in Matlab software. A rigid bar test was used to assess the accuracy and precision. The results showed that the methods proposed by Cerveri et al. 1 998 (1.16 mm to 0.96 mm) and Zhang, 2000 (0.73 mm) are promising alternatives for 3D underwater motion analysis. Both methodologies presented results with greater accuracy than those found in the literature. This occurred due to an improvement of the distortion modeling and that was confirmed by the smallest influence of the object position on the error values. Related to the flexibility and portability of the calibration object, both methods use objects easier to build and manipulate than the objects traditionally used. The 3D motion analysis system using submerged cameras showed to be suitable for underwater applications. The results reported here can be immediately appreciated by coaches, because it was possible to identify symmetry or asymmetry between the two sides, the variability within and between subjects in terms of movement patterns and agreement or disagreement with the theoretical model. Important to emphasize that there is the possibility of extending the analysis for different body segments and the system and the camera calibration methods presented in this work can be used for any sport or activity performed in water, such as hydro gymnastic or rehabilitation practices / Doutorado / Biodinamica do Movimento Humano / Doutor em Educação Física

Made available in DSpace on 2017-06-01T18:20:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 robson_souza_vasconcelos.pdf: 2328772 bytes, checksum: 33965c207f7afa9baa550e0bb0bdff79 (MD5) Previous issue date: 2015-12-01 / The implantation costs of dissolved air flotation (DAF) pilot units require special strategies due to the lack of correlations between laboratory and industrial scale, as novel flotation methods have been considered strictly from an economic standpoint. In this sense, significant efforts have been made to describe and model a scale-up to the process of FAD, being necessary to design and validate a scale-up forecasting model to promote a change in the required scale. In this study a scale-up correlation for a pilot unit project was determined based on the analysis of dynamic similarity correlations involving the predominant phenomena of a dissolved air flotation (DAF) chamber used in separating and recovering oily water. With the aid of computational fluid dynamics and videos of microbubble and floc flow, inertia and gravity were identified as the predominant phenomena in a DAF chamber by the discrepancy between the average speeds of rise of microbubbles and flakes of 8.73 &#61655;10-7 m/s and 1.175&#61655;10-5 m/s, respectively. The simulations were performed using ANSYS software and measurements were made with the aid of a camera. The strategy described herein is simple and reduces the likelihood of future risks in scale-up investments. / Os custos com a implantação de unidades piloto de flotação por ar dissolvido (FAD) requerem estratégias especiais em função da falta de correlações entre a escala laboratorial e a industrial, uma vez que os projetos de FAD têm sido concebidos apenas sob o ponto de vista econômico. Nesse sentido, tem-se realizado esforços significativos para descrever e modelar um scale-up para o processo de FAD, sendo necessário elaborar e validar um modelo de previsão de scale-up para promover a mudança de escala necessária. No presente trabalho foi obtida uma correlação de scale-up como base para o projeto de uma unidade piloto, a partir de um modelo físico em escala de laboratório por meio da análise de correlações de semelhança dinâmica envolvendo grandezas predominantes em uma câmara de FAD usada na separação e recuperação de águas oleosas. Com auxílio da fluidodinâmica computacional e de vídeos dos fluxos de microbolhas e flocos, as forças de inércia e de gravidade foram identificadas como as grandezas predominantes em uma câmara de FAD pela discrepância entre as velocidades médias de ascensão de microbolhas e flocos, de 8,73&#61655;10-7 m/s e 1,175&#61655;10-5 m/s, respectivamente. As simulações foram realizadas por meio do software ANSYS e as medidas foram efetuadas com o auxílio de uma câmera fotográfica. A metodologia de trabalho empregada permitiu o desenvolvimento de uma técnica simples e de baixo custo, diminuindo a probabilidade de riscos futuros em um investimento de scale-up.

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The aim of this Master’s thesis was to study the dynamic behaviour of a special type ofpedestrian timber bridge with a single diagonal arch - a design proposal made in a previousstudent project. The bridge is intended to be built as a gateway to the Alfred Nobel’s Björkbornin the municipality of Karlskoga. The original plan for this thesis was to build and test adownscaled model in order to verify theoretical investigations. The laboratory testing washowever not possible to be performed, therefore the study was conducted only by means ofanalytical and numerical tools. Both a downscaled model and a full-scale bridge model wereanalysed and compared in order to find proper scale parameters. Different studies wereperformed on the models by means of the finite element method in order to investigate theinfluence of relevant parameters on dynamic behaviour of the bridge. A scale factor wasdetermined which allows for the translation of results from the downscaled model to the fullscale model. Results showed that the dynamic behaviour of this type of bridge is rathercomplicated, and the original design needs to be somewhat modified to meet the comfortcriterion for pedestrians. An increase of the width of the arch, a proper arrangement of thecables, and adoption of longitudinal steel beams under the deck were found to be efficientmethods to improve the dynamic performance of the bridge. Future work should includeexperiments on a downscaled model to validate these theoretical solutions.