Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T03:40:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 241212.pdf: 3894331 bytes, checksum: 7cedb4560b31821efe01e12202520470 (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T04:43:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 240720.pdf: 5035111 bytes, checksum: 7ac137d4f93c4a8b3c2551ac8450cdd8 (MD5) / O processo de planejamento de trajetórias é uma atividade comum em operações de fabricação, que incluem soldagem, pintura, fresamento, entre outras, tanto com o uso de equipamentos de controle de operações por comando numérico (NC) quanto com robôs manipuladores. Este trabalho propõe um estudo do processo de planejamento de trajetórias para tarefas em ambientes robóticos. Para o caso em que a ferramenta descreve uma trajetória sobre a superfície, o processo de planejamento de trajetórias envolve duas etapas principais: a descrição da superfície de interesse e a definição precisa da tarefa através do cálculo da trajetória sobre a superfície.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T04:49:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 241746.pdf: 7792718 bytes, checksum: 4dd36f617eb4a07f03a22f5bd8be1db1 (MD5) / Neste trabalho investigou-se o desempenho de um circuito de termossifão bifásico (CTB), utilizando dióxido de carbono como fluido refrigerante e operando nas condições típicas do lado frio de uma maquina Stirling de refrigeração (FPSC). A característica fundamental do problema reside no transporte de uma taxa de transferência de calor de 600W de um ambiente a ser refrigerado (gabinete) para uma superfície cilíndrica que corresponde a uma das extremidades de uma maquina stirling. O evaporador do CTB troca calor com o ar dentro do gabinete, enquanto que o condensador troca calor com a extremidade fria do FPSC. O trabalho divide-se em duas partes, uma experimental e outra numérica. Na parte experimental construiu-se uma bancada de testes para controlar e medir as condições de operação tanto do condensador como do evaporador. Para simular o escoamento de ar construiu-se um circuito fechado de circulação de ar, com temperatura e vazão controladas. Para simular as condições de operação da extremidade fria de um FPSC utilizou-se um trocador de calor acoplado a superfície interna do condensador. Neste trocador de calor ocorre a evaporação de um fluido, que permite uma condição de temperatura uniforme na superfície do condensador. Durante os experimentos foram variados a carga de refrigerante, a diferença de temperatura das fontes quente e fria, a diferença de altura entre condensador e evaporador, a vazão de ar em circulação e o diâmetro das tubulações. Na parte numérica desenvolveu-se um modelo aplicando as leis de conservação da massa, quantidade de movimento e energia para cada componente. As regiões bifásicas foram modeladas considerando o escoamento como homogêneo. Os coeficientes de transferência de calor nas regiões bifásicas e monofásicas foram determinados através de correlações semi-empíricas disponíveis na literatura. Os resultados experimentais mostraram que existe uma carga de refrigerante onde o CTB opera com capacidade de refrigeração máxima. Percebeu-se também que o aumento da diferença de temperatura promove um leve aumento da capacidade de refrigeração, porém as custas de uma queda na condutância térmica global. Além disso, verificou-se que a vazão de ar afeta fortemente o desempenho do sistema. Os resultados gerados pelo modelo numérico, quando comparados com os resultados experimentais, conseguiram enquadrar 85% dos pontos simulados dentro de uma banda de erro de ± 20%, o que foi considerado aceitável devido a simplicidade do modelo e a complexidade do problema em questão. This work investigated the performance of a two-phase loop thermosyphon (TPLT), using carbon dioxide as refrigerant fluid and operating under typical conditions of a Free-Piston Sitrling Cooler (FPSC). The basic characteristic of the problem inhabits in the transport of a heat transfer rate of 600W from a refrigerator cabinet to a cylindrical surface that corresponds to the cold head of a FPSC. The evaporator of the TPLT cools the air inside the cabinet, whereas the condenser transfers the heat absorbeb on the evaporator to the cold head of the FPSC. This work is divided into two parts, an experimental approach and a numerical one. In the experimental approach a test bench was constructed in such a way that it can control and measure the operating conditions of the condenser and the evaporator. To simulate the cabinet air, a closed circuit of wind tunnel type was constructed, with controlled temperature and airflow rate. To simulate the operating conditions of the cold cold head of a FPSC a heat exchanger was coupled to the internal surface of the condenser. In this heat exchanger, the evaporation of a fluid occurs leading to an uniform temperature condition in the inner surface of the condenser. During the experiments there had been varied the refrigerant charge, the temperature difference between the hot and cold heat sources, the height difference between the condenser and the evaporator, the airflow rate and the tubing diameter. In the numerical part, a model was developed applying the principles of mass, momentum and energy conservation for each component. The two-phase regions were considered as an homogeneous flow. The single-phase and two-phase heat transfer coefficients were determined through available experimental correlations in literature. The experimental results had shown that there is a refrigerant charge where the TPLT operates with a maximum refrigeration capacity. It can be noticed that the increase of the temperature difference slightly increases the refrigeraton capacity, however the overall thermal conductance drops. Moreover it was verified that the airflow strongly affects the performance of the system. The results generated from the numerical simulations, when compared with the experimental results, fitted 85% of the simulated points inside an error band of ± 20%, which was considered acceptable given the simplicity of the model and the complexity of the problem studied.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T06:29:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 251764.pdf: 16311290 bytes, checksum: 4271607ce6b5527111edd484c5c9f14a (MD5) / Máquinas-ferramenta podem executar um processo de usinagem instável quando modos de vibração da estrutura da máquina são excitados pelas próprias forças de processo, situação que leva a níveis de vibração que causam marcas na superfície da peça trabalhada e da ferramenta. Este trabalho apresenta a aplicação do controle ativo de vibrações com o objetivo de adicionar amortecimento aos modos de vibração de uma retificadora e torná-la menos suscetível a um processo de usinagem instável. A modelagem é feita a partir de modelos obtidos experimentalmente através de algoritmos de identificação de sistemas lineares. A natureza multivariável do problema motiva a utilização de modelos no espaço de estados, e, especificamente, é proposta a aplicação de realizações modais de maneira a trazer um significado físico/estrutural aos modelos. Este tipo de realização modal também permite um tratamento direto da controlabilidade e observabilidade de cada modo de vibração a partir de cada atuador e sensor, respectivamente. O controle aplicado é do tipo realimentado, no qual o sinal de realimentação é obtido através de acelerômetros montados na máquina e é utilizado para definir o comportamento de atuadores piezo-elétricos de forma a causar forças reativas às vibrações medidas. Para o projeto de controladores é proposto o projeto de um controlador LQG em sua versão balanceada, que apresenta vantagens em relação a outras abordagens implementadas em um ambiente ruidoso para um problema de dinâmica multivariável e com forte acoplamento entre entradas e saídas. Os resultados da identificação, modelagem e projeto de controladores são validados em processo através da adição de amortecimento aos modos de vibração e consequente diminuição do tempo de acomodação da estrutura, de maneira que em malha fechada a estrutura da máquina seja menos sucetível a um processo instável. A execução deste trabalho permitiu o desenvolvimento de uma metodologia de projeto de controle ativo de vibrações de estruturas mecânicas onde a falta de amortecimento representa um inconveniente. De fato, na apresentação desta metologia fica evidente a natureza multidisciplinar do problema e todos os elementos envolvidos no desenvolvimento de um sistema de controle ativo.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T07:57:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 255888.pdf: 3258852 bytes, checksum: 148a50027ddace968487c6df0019415c (MD5) / O presente trabalho apresenta resultados experimentais referentes ao regime de ebulição nucleada do R-134a saturado em superfícies externas de tubos de cobre liso e microaletado. Os testes foram realizados para pressões variando entre 6,1 e 12,2 bar e fluxos de calor compreendidos entre 0,1 e 100 kW/m2. Este trabalho inclui, ainda, a análise da distribuição circunferencial do coeficiente de transferência de calor (h), a comparação dos h experimentais com os h calculados pelas principais correlações existentes na literatura e visualizações do fenômeno de ebulição para diferentes condições de teste. A análise dos resultados mostrou que o confinamento de bolhas nas aletas e a rugosidade da superfície aquecedora do tubo de cobre microaletado, cuja estrutura foi obtida pela usinagem convencional, foram determinantes para se obter uma estabilização no crescimento do h em determinadas faixas de fluxo de calor e pressões, indicando um possível início de secagem da superfície aquecedora. Em adição, as visualizações mostraram que a formação de "bolsões" de vapor na região inferior do tubo também contribuiu para que esta estabilização do h fosse atingida.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T08:21:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 262297.pdf: 1192515 bytes, checksum: d2f00de26c2b2491defe2d4d210c4212 (MD5) / Esta dissertação trata da solução do sistema dinâmico mancalizado de um compressor alternativo. O sistema é composto por eixo, biela e pistão, sustentados por mancais hidrodinâmicos. Sendo assim, o sistema é passível a desalinhamentos e deflexões, resultando em perdas mecânicas e termodinâmicas. Modelos de dinâmica foram estudados e comparados, bem como os modelos de mancalização. A resolução do problema de mancalização baseia-se na obtenção do campo de pressão a partir da Equação de Reynolds para lubrificação, tendo como volumes finitos a metodologia de solução. Tanto modelos de mancal curto como de mancal finito foram adotados neste trabalho, verificando-se vantagens e desvantagens associadas à utilização de ambos modelos. Na dinâmica do mecanismo foi incorporada a deflexão da biela e a sua influência no sistema foi analisada. Os resultados permitiram uma compreensão melhor do mecanismo de compressão. O comportamento dinâmico é apresentado através das órbitas dos mancais, das potências dissipadas e dos efeitos de flexão e de desalinhamento. Verificou-se a importância da análise do sistema em conjunto e de como os movimentos secundários das partes móveis pode afetar o ciclo de compressão que, por sua vez, afeta as eficiências termodinâmica e mecânica do compressor.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T13:29:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 246748.pdf: 3135585 bytes, checksum: d35f0f43ee3b60b59492a549209f3a77 (MD5) / O objetivo deste trabalho é avaliar a performance termo-hidráulica de condensadores do tipo tubo-aletado. Para atingir tal objetivo uma bancada experimental foi construída e um código computacional foi desenvolvido. A bancada experimental consiste basicamente de dois circuitos: o de ar e o de fluido refrigerante, ambos permitindo a medição da taxa de calor dissipado pelo condensador. No circuito de ar mede-se a vazão de ar através de bocais convergentes, e a diferença de temperatura através de termopares diferenciais. No circuito de refrigerante mede-se a vazão de R134a através de um sensor tipo Coriolis e, calcula-se o diferencial de entalpia a partir de medições absolutas de pressão e temperatura. A partir dos dados experimentais de transferência de calor e de perda de carga do lado do ar calculam-se os parâmetros adimensionais j e f. Efeitos do processo de fabricação, espaçamento entre aletas, tipo de aleta, presença do louver, e tipo de borda foram explorados experimentalmente. Comparações com correlações disponíveis na literatura são apresentadas e discutidas. O código computacional desenvolvido pode ser utilizado tanto para calcular os valores de j e f com base nos dados experimentais, quanto para simular a taxa de dissipação de calor e a perda de carga a partir de correlações empíricas de j e f. O código computacional desenvolvido foi acoplado ao software de otimização MODEFRONTIER#, com o intuito de otimizar o espaçamento entre aletas de um condensador específico. The objective of this work is to evaluate the thermohydraulic performance of finned tube condensers. In order to accomplish this objective, a test bench was built and a computational code was developed. The test bench has two circuits: one for air flow and another for refrigerant flow. The condenser heat released rate can be measured in both circuits. In the air circuit, the air flow is measured by nozzles and the temperature difference by differential thermocouples. In the refrigerant circuit, the mass flow rate is measured by a Coriolis type mass flow meter and the enthalpy differential is calculated from the absolute temperature and pressure measurements. The j and the f dimensionless parameters are calculated from the experimental data. The effect of fin geometry, fin pitch, louver, and fin edge corrugation were all explored experimentally. Comparisons with correlations available in the open literature are presented and discussed. The computational code can be used either to calculate the j and the f parameters from heat transfer and air pressure drop data, or to simulate the heat transfer and the air pressure drop from j and f empirical correlations. The developed computational code was coupled to the MODEFRONTIER# optimization software in an attempt to optimize the fin pitch for a specific condenser.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-23T16:42:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 258573.pdf: 3639366 bytes, checksum: 9dc327fd625f8717e10d37dfabe11b81 (MD5) / Esta dissertação propõe o estudo de uma sistemática para análise da cinemática instantânea e da estática de mecanismos para as etapas iniciais de projeto, visando auxiliar na seleção de soluções que melhor se adequam aos requisitos do problema. Para tanto, optou-se por focar o trabalho à ferramentas de análise baseadas em teoria de grafos para modelar mecanismos. Considerando que nas fases iniciais de projeto há um número elevado de soluções candidatas, entende-se que os grafos possibilitam padronizar a forma de modelar os mecanismos e, por conseqüência, a forma de entrada de dados. Uma revisão sobre a Teoria da Rede de Vetores (VNT) e o Método baseado em Teoria de Grafos (GTM) foram apresentados para exemplificar o uso de grafos para modelar a dinâmica de mecanismos. A seguir, é apresentada e discutida a ferramenta principal deste estudo, o Método de Davies, que emprega a teoria de grafos para modelar a topologia e a teoria de helicóides para representar o comportamento físico dos mecanismos. Como exemplo didático, é analisado o mecanismo de quatro barras. São apresentadas contribuições à aplicação do Método de Davies visando minimizar etapas manuais do processo no que se refere à padronização da entrada de dados, à inclusão da ortogonalidade e ao pós-processamento dos helicóides para obter dados como o fluxo de potência e a eficiência dos mecanismos. Como estudo de caso de um mecanismo com múltiplos graus de liberdade, é analisada a topologia de uma transmissão automotiva automática (PGT Ravigneaux) pelo Método de Davies, considerando as contribuições apresentadas e demonstrando passo a passo as etapas de solução. Os resultados são demonstrados através de mapas de movimentos dos corpos, de ações nos acoplamentos, além do fluxo de torque e a estimativa de eficiência em cada marcha do mecanismo. Os resultados são comprovados através de análises realizadas através de métodos clássicos, que estão apresentadas em anexo. The subject of this dissertation is the study of a systematics for kinematics and statics analysis of mechanisms in initial phases of a project, aimed at selecting the best solutions. This work is focused in graph-theoretic techniques to model mechanisms. Given that in the beginning of a project there is a plentiful amount of candidate solutions, assumptions are that graphs allow to standardize the procedure for modeling mechanisms and data input. A revision about Vector-Network Theory (VNT) and Graph-Theoretic Method (GTM) is carried out to exemplify the use of graphs to model mechanisms. The main technique employed in this work, namely the Davies' Method, is presented and depicted. It uses graph theory to model the topology and screw theory in order to represent the physical behavior of mechanisms. As a didactic example, the four bar mechanism is analyzed. Recommendations and contributions to the application of Davies' Method are presented intending to minimize manually steps, related to the standardization of input data, to the inclusion of the orthogonality concept and the post-processing screw outputs to get relevant data like power flow and efficiency of mechanisms. A study case of a Ravigneaux planetary gear train is carried out through Davies' Method, considering it is a complex mechanism with multiple DOF. The results are presented through bodies motion maps, couplings action maps, power flow and efficiency of each gear ratio of the mechanism. Conventional methods are used to ratify the results.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2008. / Made available in DSpace on 2012-10-24T01:56:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 274600.pdf: 2552864 bytes, checksum: b6d93b17b5b310d86ebd435b05b602dc (MD5) / No presente trabalho, é apresentado um estudo experimental sobre a transferência de calor e a queda de pressão no processo de ebulição convectiva em um mini-canal anular, utilizando como fluido refrigerante o n-Pentano, para pressões e temperaturas de entrada na seção de teste de 150,0 e 200,0 kPa, e 27,0 e 40,0 oC, respectivamente. Foram empregadas velocidades mássicas de até 337,8 kg/m2s, para fluxos de calor q < ou = 60,0 kW/m2. A seção de teste é formada por dois tubos, um interno de cobre onde é realizado o aquecimento, e outro externo de acrílico, montados concentricamente, com uma folga entre eles de 0,25 mm, formando assim um mini-canal anular de diâmetro hidráulico de 0,5 mm. O projeto e a construção de um circuito de ebulição convectiva e da seção de teste foram inteiramente desenvolvidos durante o presente trabalho de mestrado. São analisados os efeitos de velocidade mássica, de pressão, e da temperatura de entrada, e do fluxo de calor sobre o coeficiente de transferência de calor para a ebulição. Os dados experimentais para o coeficiente de transferência de calor foram comparados com as correlações de Kandlikar (1990), Liu e Winterton (1991), Warrier (2002), Lazarek e Black (1982) e Steiner e Taborek (1992). Os dados referentes à queda de pressão bifásica foram comparados com o modelo de fases separadas para três diferentes valores do parâmetro de Chisholm (C). Imagens fotográficas relativas ao processo de ebulição convectiva em um minicanal anular também são apresentadas e analisadas. / In this work, it is presented an experimental study of heat transfer of and the pressure drop in the process of convective boiling in an annular mini-channel, using as fluid refrigerant the n-Pentane, to pressures and temperatures of entry in the test section were 150,0 and 200,0 kPa, and 27,0 and 40,0 ° C, respectively. They were employed flux mass of up to 337,8 kg/m2s for heat flux q < ou = 60.0 kW/m2. The test section is composed of two tubes, one internal copper, where the heating is performed, and other external acrylic, mounted concentric, with a gap between them of 0,25 mm, thus forming an annular mini-channel of diameter hydraulic of 0,5 mm. The design and construction of a circuit of convective boiling in the test section were fully developed during the present work the Masters. We will be analyzed the effects of mass flux, pressure, and temperature input, and the heat flux on the heat transfer coefficients for boiling. Experimental data for the heat transfer coefficients were compared with the correlations of Kandlikar (1990), Liu and Winterton (1991), Warrier (2002), Lazarek and Black (1982) and Steiner and Taborek (1992). The data relating to the collapse of pressure two-phase flow are compared with the model of separate phases for three different parameter values of Chisholm (C). Photographic images relating to the process of convective boiling in a mini-channel annular are also presented and analyzed.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-24T04:27:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 261594.pdf: 2070671 bytes, checksum: 6d11b4ec46c6dab0b46b91f6653b430b (MD5) / O estudo do comportamento mec#anico de diferentes sistemas e componentes biol´ogicos submetidos a esfor¸cos termomec#anicos ´e uma ´area de conhecimento abordada pela biomec #anica. Diversos modelos mec#anicos matem´aticos apropriados para sistemas biol´ogicos podem ser resolvidos utilizando ferramentas num´ericas, possibilitando a simula¸c#ao de problemas complexos, com conseq¨uente aplica¸c#ao em diversas situa¸c#oes, como por exemplo, no planejamento de procedimentos cir´urgicos. A descri¸c#ao do comportamento dos diversos materiais frente a a¸c#ao de esfor¸cos mec#anicos ´e realizado mediante os denominados modelos constitutivos. Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de modelos constitutivos apropriados para tecidos biol´ogicos, em particular, ligamentos e tend#oes. Os ligamentos e tend#oes fazem parte do grupo de tecidos biol´ogicos conectivos moles formados por fibras de col´ageno envolvidas numa matriz intercelular. S#ao estruturas fortemente solicitadas mecanicamente, tendo como caracter´ýsticas principais o comportamento viscoel ´astico anisotr´opico quando submetidos a esfor¸cos mec#anicos. Prop#oe-se, assim, uma formula¸c#ao constitutiva apropriada para a simula¸c#ao desses tecidos biol´ogicos. Tal formula¸c#ao baseia-se na exist#encia de uma energia livre de deforma ¸c#ao, ., e no uso de vari´aveis internas, capaz de prever o comportamento desses materiais quando submetidos a deforma¸c#oes finitas. Considera-se uma lei viscoel´astica anisotr´opica, orientada devido `a incorpora¸c#ao das fibras de col´ageno no modelo. A proposta insere-se numa abordagem variacional, fornecendo estrutura matem´atica adequada para an´alise e estimativa de erro. Diferentes modelos de comportamento de material podem ser representados dependendo da escolha de fun¸c#oes potenciais adequadas. S#ao apresentados, ainda, testes num´ericos via Elementos Finitos como forma de valida¸c#ao do modelo proposto. The study of the mechanical behavior by different systems and biological components submitted to termodynamical efforts is an area of knowledge approached by biomechanics. Several appropriated mathematical mechanical models to biological systems can be solved using numerical tools, enabling the simulation of complex problems, with application in several situations, for example, planning cirurgical procedures. The description of the behavior of the materials against the action of mechanical efforts is realized by means of the denomined constitutive models. This work has as an objective the development of appropriated constitutive models to biological tissue, in particular, ligaments and tendons. The ligaments and tendons play a hole of the group of soft connective biological tissues made of colagen fibers involved in a intercellular matrix. They are structures strongly mechanically solicited, having the mains features the anisotropic viscoelastic behavior when submitted to mechanical efforts. Then, one can propose an appropriated constitutive formulation to the simulation of theses biological tissues. Such formulation is based in the existence of a free energy of deformation, Ø, and in the use of internal variables, capable of provide the behavior of theses materials when submitted to finite deformations. We consider an anisotropic viscoelastic law, oriented by an incorporation of collagen fibers in the model. The proposal is inserted in a variational approach, providing a proper mathematic structure to the analysis and error estimate. Different models of material behavior can be represented depending of the choice of suitable potential functions. We also present numerical tests via Finite Elements with validation form of the proposal model.