Orientador : Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 06/02/2015 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: O desenvolvimento de eficientes processos de geração de malhas adaptativas para análises por elementos finitos tem sido foco de intensivas pesquisas nas últimas décadas. Uma confiável estimativa de erro de aproximação deste método numérico é necessária para guiar de maneira adequada um processo adaptativo. O presente trabalho discute a análise de erros de aproximação, suas estimativas e a adaptatividade da malha quando da aplicação do Método dos Elementos Finitos (MEF) em alguns problemas lineares de engenharia, sejam eles: problema unidimensional de barra (equação diferencial ordinária de 2ª ordem), problema unidimensional de viga fina de Euler-Bernoulli (equação diferencial ordinária de 4ª ordem), problema escalar plano de condução térmica (equação diferencial parcial de 2ª ordem) e problema vetorial de elasticidade plana (equação diferencial parcial de 2ª ordem). No corrente trabalho, as estimativas dos erros a posteriori baseiam-se na recuperação das derivadas de ordem superior e na norma em energia. São utilizados os seguintes estimadores: estimador fundamentado na Média Nodal Simples (MNS), estimador Zienkiewicz e Zhu (ZZ), estimador Superconvergente de Recuperação de Padrões (SPR) e estimador de Recuperação por Equilíbrio de Padrões (REP). Em todos os problemas abordados emprega-se como medida da qualidade dos estimadores o conceito de índices de efetividades globais e elementares. Com o cálculo do erro em cada elemento, é utilizado um processo h-adaptativo para gerar malhas de elementos finitos adequadas ao problema em estudo, levando em consideração os erros e a convergência a nível elementar, em contraposição à maioria dos trabalhos que discutem somente a convergência global. Como objetivo do remalhamento, dois critérios de malha ótima são analisados: critério de equidistribuição do erro elementar e critério de equidistribuição do erro específico elementar. Discute-se a teoria inerente à estimativa de erro e os princípios básicos do processo h-adaptativo adotado. Através de exemplos numéricos é realizada uma análise comparativa entre os diferentes estimadores e suas eficiências no contexto de um processo h-adaptativo. Para os problemas bidimensionais e para o problema unidimensional de barra empregando interpolações lineares, e para o problema de viga fina de Euler-Bernoulli utilizando elemento de dois nós com interpolação cúbica e recuperação em terceira derivada, os estimadores SPR e REP são totalmente idênticos para malhas uniformes e não uniformes. Diferentemente disso, ao serem empregadas interpolações quadráticas ao problema unidimensional de barra, aos problemas bidimensionais e realizar a recuperação em segunda derivada para o problema de viga, somente os estimadores de erro baseados em padrões, SPR e REP, apresentaram resultados satisfatórios e com precisões próximas. Com relação aos critérios de malha ótima, independente do problema e do tipo de elemento utilizado, o critério de equidistribuição do erro específico elementar apresenta uma malha adaptada com um número de elementos superior a malha adaptada seguindo o critério de equidistribuição do erro elementar, sendo que, esses elementos alocam-se preferencialmente em regiões de maiores gradientes. Palavras-chave: Método dos Elementos Finitos. H-adaptatividade. Estimadores de Erro a posteriori. / Abstract: The development of efficient methods for the generation of adaptive meshes for finite element analyses has been the focus of intensive research in recent decades. A reliable estimate of the approximation error of this numerical method is necessary to guide properly an adaptive process. The current study discusses the analysis of approximation errors, its estimators and the mesh adaptivity when the Finite Element Method (FEM) is applied to some linear engineering problems, namely: the one-dimensional bar problem (second order ordinary differential equation), the one-dimensional Euler-Bernoulli beam problem (fourth order ordinary differential equation), the heat conduction problem (second order partial differential equation) and the plane stress problem (second order partial differential equation). Herein, a posteriori error estimation is based on the recovery of higher order derivatives and on the energy norm. The following estimators are used: Nodal Simple Average (MNS) based estimator, Zienkiewicz and Zhu (ZZ) estimator, Superconvergent Patch Recovery (SPR) estimator and Recovery by Equilibrium of Patches (REP) estimator. The concept of global and elementary effectiveness indexes is employed in all the above problems as a measure of estimator quality. Calculating the error in each element, an h-adaptive process is used to generate appropriate meshes to the problem of concern, considering the errors and the convergence at elementary level. This is in contrast to most studies, in which only global convergence is discussed. As objective of remeshing, two criteria for mesh optimality are analyzed: the first one based on the equal distribution of the elementary error and the second one using the equal distribution of the elementary specific error. The theory inherent to error estimator and the basic principles of the adopted h-adaptive process are discussed. A comparative analysis between different estimators and their efficiency in the context of an h-adaptive process is performed through numerical examples. For the two-dimensional problems, the one-dimensional bar problem with linear interpolation and the Euler-Bernoulli beam problem with a two-node element with cubic interpolation and third derivative recovery, the SPR and REP estimators are totally identical for uniform and non-uniform meshes. However, when using quadratic interpolation in the one-dimensional bar problem, and in the two-dimensional problems and also when performing the recovery of the second derivative in the Euler-Bernoulli beam problem, the error estimators based on patches, SPR and REP, only present satisfactory results, with close accuracy. With respect to the mesh optimality criteria, regardless of the problem and the element used type, the criterion based on the equal distribution of the elementary specific error leads to an adapted mesh with a larger number of elements than the mesh adjusted by the equal distribution of the elementary error criterion. It is also observed that these additional elements are preferably allocated in regions with higher gradients. Keywords: Finite Element Method. H-adaptivity. A posteriori Error Estimators.

Orientador : Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/02/2016 / Inclui referências : fls. 150-159 / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica de sólidos / Resumo: O tecido ósseo é um material anisotrópico e heterogêneo, capaz de alterar sua estrutura interna e se adaptar aos esforços a que está submetido. Este processo é denominado remodelação óssea. Sua adaptação pode ser exemplificada quando da colocação de uma prótese, visto que os esforços passam a ser transmitidos predominantemente pelo componente. Para a articulação do quadril, a necessidade da utilização da prótese dá-se devido a doenças que afetam os tecidos ósseo e cartilaginoso da articulação. Para sua correção, uma das cirurgias realizadas pode ser a Artroplastia Total de Quadril. A prótese é produzida com um material biocompatível, mas que possui uma maior rigidez quando comparado osso. Assim, grande parte dos esforços mecânicos não são mais transmitidos ao tecido, levando a um processo de reabsorção óssea adaptativa. A importância do estudo das alterações causadas por uma prótese é refletida no número de procedimentos realizados por ano na população. Só no Brasil foram realizados 14.773 procedimentos cirúrgicos entre de janeiro de 2013 e setembro de 2014, resultando em um aumento de 42% em relação a 2012. No corrente estudo, objetiva-se avaliar o comportamento deste processo após a instalação de próteses junto ao fêmur humano, sendo estas confeccionadas com materiais metálicos e um material virtual. São utilizados dois componentes. O primeiro é o de Chanrley com cabeça femoral de 22 mm de diâmetro, haste com 160 mm de comprimento e seção transversal circular. A segunda prótese possui cabeça femoral de mesmo diâmetro, porém com haste de 70 mm de comprimento e seção transversal variável. Visto que a rigidez do material da prótese é de fundamental importância no processo, três materiais são avaliados. Dois são metálicos e frequentemente utilizados, sendo as ligas de cromo-cobalto F90 e de titânio F136. O terceiro material é denominado virtual e é mais flexível quando comparado aos dois primeiros. Outro aspecto fundamental é quanto a fixação da prótese, a qual poder ser através da cimentação ou da osseointegração. Este modo considera o crescimento e adesão do tecido ósseo no interior da superfície da haste da prótese. A interface osso/prótese é considerada com adesão total, portanto uma osseointegração completa. Para simular a adaptação óssea em torno da prótese é utilizado o Método dos Elementos Finitos acoplado aos modelos de remodelação anisotrópico e isotrópico de Stanford. Um carregamento tridimensional é utilizado, o qual simula um passo de uma caminhada. Para avaliação dos resultados utiliza-se o método de imagem de Gruen. Ambos os modelos de remodelação óssea apresentam sinais radiológicos que são visualizados em radiografias de fêmures com próteses, o que possibilita a sua utilização. Os materiais com maior flexibilidade facilitam a transmissão de carregamentos ao tecido hospedeiro, o que possibilita menores níveis de reabsorção óssea ao longo da interface osso/prótese. A geometria é outro fator importante na adaptação óssea e transmissão de carregamento. Quanto maior o comprimento e seção transversal, maior será a absorção de carregamentos, podendo gerar reabsorção demasiada ao longo do osso. PALAVRAS-CHAVE: Remodelação Óssea Adaptativa, Método dos Elementos Finitos, Próteses de quadril, Modelo Isotrópico de Stanford, Osseointegração. / Abstract: Bone tissue is an anisotropic and heterogenic material that is able to change its internal structure and adapt itself to the efforts that is subject. This process is call bone remodeling. This adaptation process may be exemplified by installing a prosthesis, because the efforts are transmitted by the component. For a hip joint, a prosthesis is necessary when illness happen in bone and cartilaginous tissues that compose the joint. The surgery to repair the joint is call Total Hip Arthroplasty. A biocompatible material used in prostheses, but with a higher stiffness than bone tissue, and due it, bone tissue does not receive the greater part of the effort and then, is not stimulated like before. This start an adaptive bone resorption process. The importance of the study of the changes caused by a component inserted is reflected in number of surgical procedures performed per year. In Brazil 14.773 procedures were performed between January 2013 and September 2014. This number results in an improve of 42% compared to 2012. This study aims to evaluate the behavior of adaptive bone resorption process after the installation of prostheses in bone tissue. Metallic and a virtual materials used in prostheses. Two kind of components are used. The first is Chanrley prosthesis with a 22 mm femoral head, 160 mm stem and circulate transverse section. The second prosthesis also has a 22 mm femoral head, but a 70 mm stem and a variable transverse section. An aspect very important in this process is the material stiffness of the prosthesis, thus, three materials are used. Two are metallic materials and are very used, being a cobalt chrome (F90) and titanium (F136) alloy. Other material is call virtual and is more flexible than first two materials. Another fundamental aspect is the method to attach the prosthesis in bone tissue, which can be through a cement layer or via an osseointegrated bone/prosthesis interface. This method considers bone growth and accession in stem surface. A total accession used in interface, therefore, a complete osseointegration process. Finite Element Method coupled with Stanford isotropic and anisotropic bone remodeling models simulate the bone adaptive around the prosthesis. A three-dimensional load case is used, which simulate a step of a walk. The Gruen zones method is utilized to evaluate the results. Both bone remodeling models present radiologic signals that can be viewed in a total hip arthroplasty radiography, and then, they can be utilized for this kind of analysis. More flexibility materials improve the load transmission to the host tissue, and this allows lower levels of bone resorption in bone/prosthesis interface. The geometry is other important factor in bone adaptation and load transmission. Prosthesis with big length and cross section, absorb more loads than others ones, and this can produce high levels of resorption over the whole bone. KEYWORDS: Adaptive Bone Remodeling, Finite Element Method, Hip prosthesis, Stanford Isotropic and anisotropic Models, Osseointegration.

Orientador : Prof. Jucélio Tomás Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 26/02/2015 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômeno de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: O osso é um tecido vivo, poroso, anisotrópico e heterogêneo, com comportamento complexo e que possui a capacidade de alterar suas propriedades físicas ao longo do tempo, se adaptar a diferentes esforços aplicados e de se renovar, substituindo o tecido antigo por um novo e saudável. Esse processo, denominado remodelação óssea, gera uma mudança significativa nas propriedades do osso, por exemplo, quando da inserção de uma prótese. Com isso, em algumas regiões mais críticas, pode ocorrer perda de densidade e até uma fratura óssea. Dessa maneira, é importante conhecer o comportamento mecânico e biológico do tecido ósseo quando sujeito a excitações mecânicas externas, com o objetivo de prever o tempo de vida de próteses em geral e, portanto, seus índices de sucesso. Neste trabalho, a simulação desse processo é realizada adotando-se um modelo matemático que caracterize esse comportamento acoplado ao Método dos Elementos Finitos. São implementados modelos bidimensionais, utilizando o software Matlab®, e modelos tridimensionais através do software comercial de elementos finitos Abaqus®, customizando-o através de uma sub-rotina UMAT desenvolvida em linguagem Fortran®. Vale ressaltar que para os modelos bidimensionais, além do algoritmo de remodelação, o Método dos Elementos Finitos é programado. No trabalho são comparados os modelos isotrópico e anisotrópico de remodelação óssea de Stanford. Para as simulações, são utilizados dois tipos de casos de carga, o primeiro é um carregamento que avalia a remodelação óssea em modelos bidimensionais. O segundo é proposto a partir de uma compilação de informações da bibliografia sobre as áreas de aplicação e as intensidades das cargas. Esse carregamento é repetido uma dada quantidade de vezes ao longo do dia, o que caracteriza um ciclo de carga. As forças são aplicadas na cabeça do fêmur e no trocanter maior e a combinação delas caracteriza uma caminhada. É analisado o comportamento da remodelação óssea quando o número de ciclos é modificado após o estado de equilíbrio de densidades. Os resultados evidenciam a caracterização de regiões com alta (tecido cortical) e baixa (tecido trabecular) densidades. Evidenciam, também, um fenômeno numérico próximo às áreas de aplicação de cargas que contém níveis intermediários de densidade, que resulta em um padrão similar ao padrão de checkerboard. Uma forma de apresentação dos resultados, para melhorar a qualidade da distribuição de densidades, é a utilização dos valores nodais através de uma suavização dos resultados elementares. Tais resultados apresentam uma distribuição espacial do campo de densidades que possibilitam uma comparação qualitativa com uma radiografia de um fêmur humano saudável e real. Palavras-chave: Remodelação óssea. Método dos Elementos Finitos. Abaqus. Modelos de Stanford. UMAT. / Abstract: The bone is an alive tissue, porous, anisotropic and heterogeneous, with a complex behavior e that has a capacity to change its physical properties during the time, adapt itself to different applied stresses and to renew, replacing the old bone tissue for a new and healthy one. This process, called bone remodeling, produce a significant change in bone properties, for example, when prosthesis is inserted. Therewith, in some critical regions, can occur bone density loss or until fracture. Thus, is very important to know the mechanical and biological behavior of the bone tissue when mechanical stresses are applied, with the objective to predict the life time of the prostheses in general, and, therefore, the index of success. In this study, the simulation of this process is done adopting a model that characterizes this behavior engaged with the Finite elements Method. Is used two-dimensional model implemented in Matlab® software, and three-dimensional one through the Abaqus® finite element commercial software, customize it with a subroutine UMAT developed in Fortran® language. It is important to note that for the two-dimensional models, besides the bone remodeling algorithm, the Finite Elements Method is also implemented. The Stanford’s isotropic and anisotropic models are compared in this study. Two kinds of load cases are used, where the first is loads that are applied to evaluate the bone remodeling in two-dimensional models. The second one is proposed whereof a compilation of information of the bibliography about the areas of application and intensity of the loads. The load case applied is repeated a given number of times during the day, what characterize a load cycle. Loads are applied in femoral head and greater trocanter and the combination of then characterize a walk. Is analyzed the bone remodeling behavior when the number of cycles is changed after the equilibrium density state. Results evince the characterization of the regions with high (cortical tissue) and low (trabecular one) density. Can be seen a numerical phenomenon in areas close to load application that has intermediary density levels, resulting in a pattern that is similar to the checkerboard pattern. A way to presents the results, to improve the quality of density distribution, is the utilization of the nodal values through a smoothing in results found for each element in mesh. Results found in this study present a spatial distribution of the density field which allows a qualitative comparison with a radiograph of a healthy and real human femur. Key-words: Bone remodeling. Finite Element Method. Stanford’s models. UMAT.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 02/09/2014 / Inclui referências / Àrea de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: O problema da otimização aerodinâmica de Newton, formulado e resolvido primeiramente por Newton no século XVII e extensivamente estudado a partir do século XX devido às suas aplicações em Aeronáutica e Astronáutica, foi abordado neste trabalho com base nas equações de Navier-Stokes para um amplo intervalo do número de Reynolds no intuito de avaliar como os efeitos viscosos afetam as formas otimizadas. Mais precisamente, foram considerados escoamentos para seis valores de Reynolds Re?1 1 2 {0; 10?7; 10?6; 10?5; 10?4; 10?3}, dois valores de razão de aspecto (comprimento/diâmetro de base) fr 2 {2; 4} e três valores do número de Mach M1 2 {1,5; 3; 6}. A otimização foi realizada com base no Método de Otimização de Forma e os perfis geométricos aproximados por três modelos: (1C) lei de potência, (2C-S) lei potência com face plana e (2C-NS) lei de potência deslocada com face plana. O coeficiente de arrasto sobre estas formas foi calculado com base no Método dos Volumes Finitos e os coeficientes da otimização determinados com base no algoritmo de Evolução Diferencial conjugado ao Método das Superfícies de Resposta. Os resultados mostraram que a redução do número de Reynolds, ou seja, o aumento dos efeitos viscosos, reduz a área superficial e o volume das formas otimizadas e que, para os modelos 2C-S e 2C-NS, esta redução não implica em formas mais pontiagudas. Estes resultados contrastam com os de Horstmann et al. e de Bryson Jr., obtidos com outra abordagem. Os resultados também mostraram que, no intervalo de Reynolds estudado, os efeitos viscosos alteram significativamente os perfis otimizados e os seus coeficientes de arrasto. A variação da área superficial e do volume de um extremo a outro deste intervalo, por exemplo, chegaram a 19 e 25%, respectivamente. Entretanto, há um intervalo amplo do número de Reynolds, dependente de M1 e fr, em que a viscosidade pouco afeta os perfis das formas otimizadas e os seus coeficientes de arrasto, dentro de uma tolerância prescrita. Neste intervalo, as formas otimizadas com base nas equações de Euler são praticamente tão eficientes quanto aquelas otimizadas com base nas equações de Navier-Stokes. Quanto ao coeficiente de arrasto, não se observou diferença significativa entre os Modelos 2C-S e 2C-NS, contudo, a diferença relativa entre os Modelos 1C e 2C-NS chegou a 7,7%, o que mostra o quanto a presença da face plana frontal pode contribuir para a redução do arrasto nas formas otimizadas, mesmo em escoamentos viscosos. O coeficiente de arrasto do Modelo 2C-NS também foi comparado ao das formas otimizadas de von Kármán, Newton e Kraiko et al. Em todas as condições simuladas, o coeficiente de arrasto do Modelo 2C-NS foi menor que o das formas de von Kármán e de Newton. As diferenças relativas chegaram a 28% e 12%, respectivamente. Como esperado, o coeficiente de arrasto Modelo 2C-NS foi maior que o das formas otimizadas de Kraiko et al., obtidas com o Cálculo Variacional no caso limite de Re?1 1 = 0. A maior diferença relativa foi de 3,7%, mas, em geral não ultrapassou 0,8%. Palavras-chave: Otimização aerodinâmica. Navier-Stokes. CFD. Evolução Diferencial. Superfícies de Resposta. / Abstract: The aerodynamics problem of Newton, firstly formulated and solved by Newton in the XVII century and extensively studied from the XX century due to its applications in the Aeronautics and Astronautics, was aborded in this work based on the Navier-Stokes equations for a wide range of the Reynolds number in order to evaluate the influence of the viscous effects over the optimized shapes. More precisely, it was considered six values of the Reynolds number Re?1 1 2 {0; 10?7; 10?6; 10?5; 10?4; 10?3}, two values of the aspect ratio (length/base diameter) fr 2 {2; 4} and three values of the Mach number M1 2 {1,5; 3; 6}. The Shape Optimization method was applied assuming three models for the geometric profiles: (1C) power-law, (2C-S) bluff power-law and (2C-NS) bluff shifted power-law. The fore-drag over these shapes was calculated based on the Method of Finite Volumes and the coefficients of the optimization method were determined with a method that combines the Differential Evolution Algorithm and the Response Surface Methodology. The results showed that decreasing the Reynolds number, that is, increasing the viscous effects, the wetted area and volume of the optimized shapes decrease, while the optimized profiles (of the models 2C-S and 2C-NS) do not become necessarily sharper. These results contrast with those by Horstmann et al. and Bryson Jr., obtained with different approaches. Another remarkable aspect was how the viscous effects modify significantly the optimized shapes and their fore-drags in the range of Reynolds number considered. The relative variation of the wetted area and volume, from one extreme to the other of this range, for instance, reached 19 and 25%, respectively. However, there is a wide range of the Reynolds number, depending on M1 and fr, for which the viscosity has a small effect on the optimized profiles and their fore-drag, within a given tolerance. Within this range, the optimized shapes based on the Euler equations are almost as efficient as those shapes optimized based on the Navier-Stokes equations. Comparing the fore-drag coefficients of the models, it was not observed a significative difference between the Models 2C-S and 2C-NS, but the relative difference between Models 1C and 2C-NS reached 7.7%. This result shows how the bluff portion of the body may contribute for the drag reduction, even for viscous flows. The fore-drag of the Model 2C-NS was also compared with those of the optimized shapes of von Kármán, Newton and Kraiko et al. For all the simulated conditions, the fore-drag of Model 2C-NS was less than those of the von Kármán's and Newton's shapes. The relative differences reached 28% and 12%, respectively. As expected, the fore-drag of the Model 2C-NS was greater than those of the optimized shapes by Kraiko et al., obtained with the Calculus of Variations in the limiting case of Re?1 1 = 0. The greatest relative difference was of 3.7%, but, in general, did not exceed 0.8%. Key-words: Aerodynamics optimization. Navier-Stokes. CFD. Differential Evolution. Response Surfaces.

Orientador : Prof. Dr. Carlos José de Mesquista Siqueira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 24/08/2007 / Inclui referências : fls. 99-101 / Área de concentração: Manufatura / Resumo: O estudo do comportamento tribológico dos anéis de pistão de um motor à combustão interna envolve interações complexas relativas ao contato mecânico, temperaturas, pressões, velocidades e acelerações. Este sistema é responsável pela manutenção da vedação da câmara de combustão e tem influência direta na performance do motor, sendo também o principal responsável pelo consumo de óleo durante a vida do motor. O consumo de óleo controlado pelos anéis também influencia diretamente a quantidade de gases emitidos pelo motor e por conseqüência o respeito às normas de emissões. Diversas soluções técnicas são amplamente utilizadas pela indústria automobilística em motores à gasolina. Muitos estudos e desenvolvimentos foram realizados anteriormente sobre os motores a álcool, porém atualmente com o surgimento dos motores flexíveis, chamados de sistema Flex Fuel, muitos motores à gasolina foram adaptados para o funcionamento em álcool e apresentam soluções robustas para o funcionamento nos dois tipos de combustível. Estes motores, em ampla ascensão no mercado brasileiro, são atualmente temas de diversos estudos e desenvolvimentos por se tratarem de uma tendência econômica de mercado em crescimento no Brasil. O objetivo deste trabalho é avaliar o desgaste e a durabilidade de anéis da primeira canaleta de pistões quando sujeitos a um funcionamento em álcool e gasolina em um sistema Flex Fuel. Esta avaliação será efetuada em laboratório através de ensaios em tribômetro. Os testes serão comparados com amostras de anéis testadas em ciclos de durabilidade em dinamômetro de motor e veículos de teste de rodagem durante 100.000 km. Os resultados desta análise visam otimizar a definição técnica dos anéis de modo a minimizar custos, porém visando manter a mesma confiabilidade e durabilidade dos motores. Palavras-chave: Pistões. Anéis. Tribologia. Desgaste. Durabilidade. Etanol. Álcool. Motor. Flex fuel. / Abstract: Tribological behavior of internal combustion piston rings engine includes complex interactions of mechanical contacts, temperatures, pressures, velocities and accelerations. This system is responsible for the combustion sealing with direct influence to the engines performance and oil consumption. Many solutions are applied in these days by automotive industries and many studies and developments were realized in the past for alcohol engines, but actually with the technology of flexible engines called Flex Fuel many classical gasoline engines were adapted to work with alcohol fuel and solutions to work with these two kinds of fuel were established. These Flex Fuel engines have a growing tendency in the Brazilian Market in the last years because the electronic flexibility technology to control the engines and the low price of alcohol in the market. The purpose of this paper is evaluate the wear and durability of top piston rings working with gasoline and ethanol alcohol as a fuel. This presentation will also describe the wear and friction of cast iron and steel Flex Fuel piston rings during reciprocating bench tests, vehicles durability tests and dyno tests. The results will guide the optimization of technical definitions for Flex Fuel piston rings. Keywords: Piston. Piston ring. Tribology. Wear. Durability. Ethanol. Alcohol. Engine. Flex fuel.

Orientador : Paulo Victor Prestes Marcondes / Coorientador : Sérgio Fernando Lajarin / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/02/2017 / Inclui referências : f. 111-118 / Resumo: A substituição dos aços convencionais por aços de alta resistência é uma aposta da indústria automotiva para fabricação de peças embutidas. Isto possibilita o uso de chapas mais finas com a manutenção das propriedades mecânicas e pode ser associada à redução do peso de componentes e redução de custos. Porém, o uso dos aços de alta resistência implica no agravamento de alguns problemas de fabricação, dos quais se destaca o aumento do retorno elástico quando comparado aos aços convencionais. O retorno elástico é uma deformação geométrica da peça embutida e que, para processos realizados na temperatura ambiente, pode ser controlado por ajustes na geometria da ferramenta e pelo ajuste da tensão na chapa. O controle da temperatura de embutimento também é apontado como outra alternativa para controle do retorno elástico. Ele pode medido em peças obtidas de experimentos práticos de embutimento, e também pode ser previsto computacionalmente através da análise numérica pelo método de elementos finitos. A compreensão dos relacionamentos entre a temperatura de embutimento, as características dos materiais, os parâmetros práticos e os parâmetros computacionais, pode melhorar a previsão do retorno elástico para peças embutidas em aços de alta resistência. Por isto, o objetivo deste trabalho foi estudar a influência de temperatura de embutimento no retorno elástico em aços de alta resistência. Para isto, foram realizados ensaios de tração para várias temperaturas para os aços HSLA350/440 e DP350/600. Também foram realizados experimentos práticos de embutimento com várias temperaturas, baseados no benchmark problem, proposto originalmente na conferência Numisheet (1993). Foi medido o retorno elástico nas peças embutidas, e foram realizados ensaios de metalografia e microdureza. Foram realizados experimentos computacionais com base no modelo de Hensel-Spittel que considera fatores mecânicos e metalúrgicos para previsão do comportamento dos materiais em função da temperatura. Como principal resultado, foi comprovado que o aumento da temperatura de embutimento resulta na redução do retorno elástico. Foi observado um comportamento peculiar nas peças embutidas na temperatura de 600°C, que sugere trabalhos futuros. Palavras-chave: Aços de alta resistência. Embutimento. Retorno elástico. Temperatura. Simulação numérica. / Abstract: The replacement of conventional steels with high strength steels is a commitment of the automotive industry to manufacture of deep drawing parts. As a result, the use of thinner sheets with maintenance of mechanical properties can be associated with reduced component weight and reduced costs. However, the use of high strength steels implies the aggravation of some manufacturing problems, especially the springback increase, when compared to conventional steels. Springback in deep drawing parts processed at room temperature is the geometric deviation that can be set by adjustments in tool geometry and by adjusting the tension in the sheet. The deep drawing temperature control is another alternative for springback control. Springback can be measured in deep drawing experiments parts and can be predicted computationally by numerical analysis using the finite element method. Understanding the relationships between the deep drawing temperature, material characteristics, practical parameters and computational parameters, can improve prediction of elastic return for deep drawing parts in high strength steels. The objective of this work was to study the influence of deep drawing temperature on the springback in high strength steels. It were performed tensile tests at various temperatures for the HSLA350/440 and DP350/600 steels. It were also performed practical deep drawing experiments with various temperatures, based on the benchmark problem originally proposed at the Numisheet (1993) conference. It was measured springback on the deep drawing parts, and it were performed metallography and micro hardness tests. Computational experiments based on the Hensel-Spittel model that considers mechanical and metallurgical factors to predict the behavior of materials as a function of temperature. As the main result, the increase in temperature results in the reduction of the springback in deep drawing parts. One special behavior in the deep drawing parts at the temperature of 600°C suggests future works. Keywords: High Strength Steels. Deep drawing. Springback. Temperature. Numerical simulation.

Orientador : Prof. Dr. Adriano Scheid / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 12/12/2014 / Inclui referências / Resumo: Ligas de Cobalto CoCrMoSi são largamente usadas para a proteção de componentes que operam em condições agressivas de desgaste, corrosão em diversos meios e elevadas temperaturas. Desempenho promissor tem sido relatado para o processamento de revestimentos pela técnica de plasma com arco transferido (PTA). A liga CoCrMoSi Tribaloy T400 apresenta composição hipereutética e ainda apresenta desafios durante o processamento devido à presença de fases frágeis de Laves. A interação com o substrato a ser revestido (diluição), altera a composição dos revestimentos, demandando investigação. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar revestimentos da liga Tribaloy T400 processados por PTA sobre um substrato de aço inoxidável AISI 316L utilizando três diferentes níveis de corrente de deposição: 120, 150 e 180A. Adicionalmente, um estudo da sobreposição de cordões foi realizado visando o revestimento de áreas. A avaliação inicial envolveu a geometria dos cordões e a diluição e, posteriormente, os revestimentos foram caracterizados por microscopia ótica e eletrônica de varredura, difração de raios X e dureza Vickers. O efeito das condições de processamento sobre o desempenho foi avaliado a partir de ensaios de desgaste. Cordões únicos apresentaram diluição entre 18 e 38 %. Os depósitos processados com 120 A apresentaram microestrutura eutética lamelar, com fase Laves e solução sólida em Cobalto. O aumento da corrente para 150A e 180A, levou à solidificação hipoeutética, com estrutura dendrítica de solução sólida de Cobalto e interdendrítico lamelar eutético. A dureza foi fortemente influenciada pela microestrutura desenvolvida, mostrando valores entre 702 e 526 HV0,5, decrescentes à medida que a corrente de deposição aumentou. Para cordões únicos, a taxa de perda de massa em desgaste e o coeficiente de atrito foram se elevando à medida que a diluição aumentou e a dureza foi reduzida. A sobreposição de cordões alterou significativamente a diluição com o substrato. Os revestimentos hipoeutéticos obtidos para cordões únicos depositados com corrente de 180 A apresentaram microestrutura eutética lamelar quando processados com 25 % de sobreposição. Já para 50 % de sobreposição, observou-se uma microestrutura hipereutética composta de fase primária de Laves em uma estrutura eutética lamelar, levando ao aumento da dureza. O desempenho em desgaste apresentou dependência direta com a microestrutura, ou seja, com a fração de fase Laves. Menor taxa de perda de massa em desgaste abrasivo por deslizamento foi obtido para estruturas com maior dureza, eutéticas e hipereutéticas, obtidas pela sobreposição de cordões. Palavras-chave: Liga CoCrMoSi. Plasma com arco transferido. Diluição. Microestrutura. Ensaios de desgaste. / Abstract: Cobalt-based CoCrMoSi alloys are largely applied for components protection, which operate under aggressive environments involving wear, corrosion in different media and high temperatures. Better performance has been reported for alloys processed as coatings by plasma transferred arc (PTA). CoCrMoSi Tribaloy T400 alloy is a hypereutectic alloy and presents challenge for processing due to the presence of brittle Laves phase in the microstructure. The interaction with substrate (dilution) change the chemical composition of coatings, demanding research. So, the main objective of this work was to evaluate Tribaloy T400 coatings by PTA on AISI 316L stainless steel substrate utilizing three different main deposition current: 120, 150 e 180 A. Furthermore, overlapping was studied for processing coated areas. First evaluation was performed by track geometry and dilution then, coatings were characterized by scanning electron and optical microscopy, X ray diffraction analysis and Vickers hardness profiles. The effect of processing condition on performance was carried out by wear tests. Single track coatings presented dilution ranging from 18 to 38 %. Single track coatings with 120 A deposition current showed lamellar eutectic microstructure with Cobalt solid solution and Laves phase. Increasing deposition current to 150 and 180 A, leaded to the development of a hypoeutectic microstructure, composed by Cobalt solid solution dendrites and interdendrictic lamellar eutectic. Hardness was deeply influenced by microstructure, ranging from 702 to 526 HV0,5 and decreasing as deposition current increased. Single track coatings showed wear mass loss rate and friction coefficient increase for higher dilution and lower hardness. The track overlapping changed significantly interaction with the substrate. The hypoeutectic coatings obtained for single track deposits processed with 180 A deposition current showed lamellar eutectic microstructure for 25 % track overlapping. Otherwise, for 50 % track overlapping, a hypereutectic microstructure composed by primary Laves phase in lamellar eutectic developed, inducing hardness increase. Wear performance showed microstructure dependence on Laves fraction. Lower wear rate was measured for higher hardness, observed on eutectic or hypereutectic coatings microstructure. Keywords: CoCrMoSi alloy. Plasma transferred arc. Dilution. Microstructure. Wear test.

Orientador : Prof. Dr. Eduardo Márcio de Oliveira Lopes / Coorientador : Prof. Dr. Jucélio Tomás Pereira / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 05/09/2016 / Inclui referências : fls. 112-114 / Resumo: A utilização de neutralizadores dinâmicos de vibrações (também conhecidos como absorvedores dinâmicos de vibrações) é uma solução muito adotada no controle passivo de vibrações, devido à sua praticidade e eficácia. Uma forma de introduzir amortecimento nesses dispositivos e ampliar seu raio de ação é através da utilização de camadas restritas de materiais viscoelásticos. Porém, para as geometrias planas, dentre outras, o controle de vibrações efetuado mostra-se dependente da direção de excitação, instigando a análise de geometrias alternativas, que possuam um caráter de dissipação de energia multidirecional. O corrente documento apresenta, então, uma metodologia para o projeto e avaliação da eficácia de um neutralizador dinâmico de vibrações com geometria tubular e camadas restritas compostas de material viscoelástico. Considera-se, no trabalho, o acoplamento sob dois graus de liberdade entre o neutralizador e o sistema primário, que fornece uma representação mais acurada da dinâmica do sistema composto. O desenvolvimento de modelos numéricos em elementos finitos, aliado ao emprego de métodos de otimização, torna possível a obtenção das variáveis de projeto ótimas do neutralizador aplicado no controle de uma viga engastada. Mostra-se que a metodologia em questão é eficiente e que um controle eficaz em banda larga de frequências pode ser alcançado com o dispositivo analisado. PALAVRAS-CHAVE: Controle passivo de vibrações. Neutralizador dinâmico viscoelástico. Algoritmos genéticos. Método dos elementos finitos. Superfície de resposta. Reanálise de estruturas. / Abstract: Vibration neutralizers (also called vibration absorbers) are a widely used tool in passive control vibration, due to its practicality and efficacy. A way of introducing damping in these devices and enlarging its range of action is by using viscoelastic materials in a constrained layer fashion. However, for flat geometries, among others, the vibration control depends on the direction of the excitation. This incites the use of alternative geometries, with a multidirectional energy dissipation character. The current document presents a methodology for the design and evaluation of the efficacy of a viscoelastic vibration neutralizer with tubular geometry and viscoelastic constrained layers. The assumption of an existing coupling with 2 degree of freedom between the neutralizer and the primary system provides a more accurate representation of the dynamics of the entire system. The development of numerical finite element models and the use of optimization methods allow the search of the optimum parameters of the neutralizer to be carried out. It is shown that this methodology is efficient and that an effective control in a wide frequency band can be achieved by the analyzed device. KEYWORDS: Passive vibration control. Viscoelastic dynamic neutralizers. Genetic algorithms. Finite element method. Response surface. Structural reanalysis.

Orientador : Prof. Dr. Eng. Christian J. L. Hermes / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 09/06/2017 / Inclui referências e apêndices / Resumo: Equipamentos eletrônicos modernos têm a característica indesejada, porém inevitável, de elevadas taxas de geração de calor. O objetivo do presente trabalho consistiu em observar a aplicabilidade de sistemas por compressão mecânica de vapor para estes fins, propondo as configurações ótimas para cada componente do sistema. Para isto, foi realizada a implementação de um modelo de simulação em regime permanente com a inclusão de parâmetros geométricos dos componentes do ciclo. Conforme o tamanho dos trocadores de calor diminui, foram observados comportamentos que corroboram observações presentes na literatura aberta, com a presença de uma inflexão dentro dos limites propostos para a mesoescala. Propondo ainda um modelo semi-empírico capaz de captar os efeitos de escala nas eficiências de compressão, algumas das dificuldades na modelagem desse componente também foram apontadas, bem como a seleção do compressor apropriado. Por fim, uma comparação demonstrou a superioridade do sistema proposto, com COP em torno de 1,60, desempenho consideravelmente melhor do que sistemas equivalentes termoelétricos. A metodologia de seleção desenvolvida indica algumas referências para uma futura construção de sistemas voltados para o resfriamento de eletrônicos. Palavras-chave: Análise termodinâmica. Resfriamento de eletrônicos. Refrigeração por compressão de vapor. Mesoescala. / Abstract: Electronic equipments have the undesired (but unavoidable) characteristic of generating large amounts of heat. The present work is aimed at verifying the applicability of vapor compression systems in these small-scale applications, also proposing the optimal configuration for each component of the system. This was achieved by means of a steady-state simulation model, with the addition of geometric parameters of the cycle components. As the heat exchangers' characteristic lengths become smaller, some expected behaviors from the open literature were confirmed. This study also points out the difficulties in modelling the compressor, and introduces a model sensitive to the scale effects, as well as a selection of the most appropriate size for the compressor. As a conclusion, a comparison showed the superiority of the proposed system, with COP values around 1,60, a good performance when compared to an equivalent thermoelectric system. The followed methodology highlights some guidelines for eventual building of systems aimed at electronics cooling applications. Keywords: Thermodynamic analysis. Eletronics cooling. Vapor compression refrigeration. Mesoscale.

Orientador : Prof. Dr. Silvio Francisco Brunatto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 28/02/2013 / Inclui bibliografia / Área de concentração: Manufatura / Resumo: O presente trabalho apresenta o estudo da sinterização por plasma de aço inoxidável martensítico ABNT 410 LHC em atmosferas contendo carbono e/ou nitrogênio. Objetiva-se determinar as potencialidades de se realizar simultaneamente a sinterização e os tratamentos superficiais de nitretação, cementação e carbonitretação por plasma, os quais são normalmente executados posteriormente à etapa de sinterização, bem como determinar seus respectivos efeitos nas propriedades e características do material tratado. O tratamento em atmosfera contendo nitrogênio, constituindo-se na condição de Sinterização-Nitretação foi realizado na temperatura de 1100 °C, tempo de 60 minutos e fluxo 480 sccm (cm3/minuto). Por sua vez, os tratamentos em atmosferas contendo carbono foram realizados na temperatura de 1100 °C e tempo de 60 minutos, para quatro condições distintas, a saber: a) Sinterização-Carbonitretação na mistura gasosa de 99% (60% N2 + 20% Ar + 20% H2) + 1,0% CH4; b) Sinterização-Cementação na mistura gasosa de 99% (80% Ar + 20% H2) + 1,0% CH4, sob fluxo de 480 sccm; c) Sinterização-Cementação a baixo fluxo, usando-se 120 sccm; e d) Sinterização-Cementação em atmosfera de baixo H2, na mistura de 94% Ar + 5% H2 + 1% CH4. As amostras sinterizadas por plasma foram caracterizadas por Microscopia Ótica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Análise por Microssonda de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS), Difratometria de Raios-X (DRX) e microdureza. Os resultados indicam aumentos de dureza superficial relativamente pequenas na amostra sinterizada quando do uso de atmosferas contendo nitrogênio, comparados aos verificados quando do uso de atmosferas contendo carbono. Por sua vez, o uso de CH4 na atmosfera de sinterização por plasma possibilita a cementação simultânea da amostra durante a sinterização, constituindo-se num potencial ganho do processamento de materiais assistido por plasma quando comparado à técnica de sinterização convencional, na qual o plasma não está presente. Palavras-chaves: Sinterização por plasma. Sinterização-Cementação por plasma. Sinterização-Nitretação por plasma. Sinterização-Carbonitretação por Plasma. Aço inoxidável martensítico ABNT 410 LHC. / Abstract: This work presents the study of ABNT 410 LHC martensitic stainless steel plasma sintering in atmospheres containing carbon and/or nitrogen, aiming to determine the potential to simultaneously perform the sintering and the nitriding, carburizing and carbonitriding plasma assisted treatments, which are typically carried out after the sintering step, and their effects on the properties and characteristics of the treated materials. The treatment in atmosphere containing nitrogen, comprising the Sintering-Nitriding condition was carried out at 1100°C, time of 60 minutes and gas flow of 480 sccm. The treatments in atmosphere containing carbon were performed at the temperature of 1100 °C, for time of 60 minutes, and four different conditions, namely: a) Sintering-Carbonitriding in the gaseous mixture of 99% (60% N2 + 20% Ar + 20% H2) + 1.0% CH4; b) Sintering-Carburizing in the gas mixture of 99% (80% Ar + 20% H2) + 1.0% CH4, under flow of 480 sccm; c) Sintering-Carburizing in low-flow at 120 sccm; and d) Sintering-Carburizing in low-H2 atmosphere, in the gas mixture of 94% Ar + 5% H2 + 1.0% CH4. The processed samples were characterized by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-rays Microprobe Analysis (EDS), X-Rays Diffractometry (XRD), and Microhardness. Results indicate relatively slight increase in the surface hardness for samples sintered at atmosphere containing nitrogen. Differently, significant surface hardness increase was observed for samples sintered at atmosphere containing carbon. In turn, the use of CH4 in the atmosphere allows the simultaneous carburizing of the pressed sample during the plasma sintering, thereby constituting a potential gain of the plasma assisted material processing, when confronted with the conventional sintering technique, in which the plasma is not present. Keywords: Plasma sintering. Plasma sintering-carburizing. Plasma sintering-nitriding. Plasma sintering-carbonitriding. ABNT 410 LHC martensitic stainless steel.