Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Vias de Comunicação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Dissertation submitted for obtain the degree of Doctor of PhD, at the Cranfield Institut of Technology

Dissertação apresentada para obtenção do grau de doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

Próteses odontológicas são estruturas que restituem a função mastigatória e substituem componentes dentários danificados. A maioria dos estudos em próteses odontológicas que envolve métodos analíticos clássicos de análise de estrutura são inviáveis e situações nas quais a experimentação é dificultosa. Estas próteses, sob condições reais de carregamentos cíclicos (mastigação), são repetidamente sujeitas à estados de tensões multiaxiais cíclicas. Neste sentido, a natureza cíclica do carregamento, a qual os componentes das próteses são submetidos, sugere que o modo de falha por fadiga possui maior relevância neste tipo de estrutura. O desenvolvimento da computação eo aumento das capacidades de processamentos tem permitido maior implementação dos métodos numéricos, como o Métodos de Elementos Finitos (MEF). Através deste método (MEF) se realiza a modelagem do comportamento mecânico ajustadas à realidade física dos fatores biomecânicos envolvidos. Em uma revisão bibliográfica, verificou-se que a maioria dos livros e artigos encontrados não apresentam informação detalhadas sobre a previsão da vida baseado em análises de fadiga multiaxial que utilizem o MEF para cálculo das próteses odontológicas. O objetivo deste trabalho foi propor um modelo numérico computacional utilizando o MEF para avaliar a vida à fadiga em próteses odontológicas submetidas a carregamentos multiaxiais. Para isso, foi empregada a manipulação de imagens adquiridas, ensaios experimentais normativos, Análise por Elemento Finitos (FEA) na previsão de vida à fadiga aplicada tanto em carregamento uniaxial ou multiaxial, a contabilização do dano por fadiga em carregamento multiaxial de amplitude variáveis, otimização e implementação de subrotina para as interfaces APDL -MATLAB. Os resultados mostraram que, através das técnicas de aquisição de dados de imagens (Micro-CT) e medições mecânicas combinadas com métodos numéricos consegue-se modelar uma estrutura complexa como uma prótese dental. / Dental prostheses are structures that restore the masticatory function and replace damaged dental components. Most studies on dental prostheses involve that classical analytical methods of structure analysis are infeasible and situations in which experimentation is difficult. These prostheses, under real conditions of cyclic loading (chewing), are repeatedly subjected to cyclic multiaxial stress states. In this sense, the cyclical nature of the loading, to which the components of the prosthesis are submitted, suggests that the fatigue failure mode has greater relevance in this type of structure. The development of computation and the increase of processing capacities have allowed greater implementation of numerical methods, such as Finite Element Methods (FEM). Through this method (FEM) it is performed the modeling of the mechanical behavior which is adjusted to the physical reality of the involved biomechanical factors. In a bibliographical review, it was verified that most of the books and articles found do not present detailed information about the prediction of life based on analyzes of multiaxial fatigue that use the FEM to calculate the dental prostheses. The objective of this research was to propose a computational numerical model using the FEM to evaluate the life to the fatigue in dental prostheses submitted to multiaxial loads. For this, we used the manipulation of acquired images, normative experimental tests, Finite Element analysis (FEA) in the prediction of life to the fatigue applied in either uniaxial or multiaxial loading, the counting of the fatigue damage in multiaxial amplitude variable loading, optimization and implementation of the subroutine for the APDL -MATLAB interfaces. The results showed that, through the techniques of image data acquisition (Micro-CT) and mechanical measurements combined with numerical methods, it is possible to model a complex structure such as a dental prostheses.

O presente trabalho propõe uma metodologia para o cálculo da vida e do coeficiente de segurança à fadiga, ou fatigue factor, para mancais hidrodinâmicos, mais comumente chamados de bronzinas. A metodologia proposta é confrontada com os resultados de um teste de fadiga dos referidos componentes, no qual se determina o limite de resistência à fadiga, ou endurance limit, pela análise estatística dos dados. Utilizou-se para tanto o método Staircase. Tal confrontação de resultados possibilita não só a validação experimental da metodologia proposta para a condição do teste efetuado, como também a proposição de futuros estudos com a finalidade de se estender o uso da metodologia não somente para bronzinas fabricadas com outros materiais, como também para a previsão da fadiga na condição de operação dos motores de combustão interna automotivos e também sua utilização em outros componentes mecânicos, como por exemplo molas de suspensão, desde que trabalhem em regime elástico. / The present work proposes a calculation methodology to predict the fatigue life as well as the fatigue safety factor, called fatigue factor, for the plain bearings. The proposed methodology is confronted with the results of a bearings fatigue test, performed to determine the endurance limit with the Staircase statistical analysis method. The results confrontation experimentally validates the proposed methodology, for the performed tests condition. Future studies are proposed to extend the methodology validation not only to bearings made with different materials, but also to predict fatigue on bearings under operation conditions of automotive internal combustion engines and its usage to other mechanical components under linear elastic behavior, such as suspension springs.

Próteses odontológicas são estruturas que restituem a função mastigatória e substituem componentes dentários danificados. A maioria dos estudos em próteses odontológicas que envolve métodos analíticos clássicos de análise de estrutura são inviáveis e situações nas quais a experimentação é dificultosa. Estas próteses, sob condições reais de carregamentos cíclicos (mastigação), são repetidamente sujeitas à estados de tensões multiaxiais cíclicas. Neste sentido, a natureza cíclica do carregamento, a qual os componentes das próteses são submetidos, sugere que o modo de falha por fadiga possui maior relevância neste tipo de estrutura. O desenvolvimento da computação eo aumento das capacidades de processamentos tem permitido maior implementação dos métodos numéricos, como o Métodos de Elementos Finitos (MEF). Através deste método (MEF) se realiza a modelagem do comportamento mecânico ajustadas à realidade física dos fatores biomecânicos envolvidos. Em uma revisão bibliográfica, verificou-se que a maioria dos livros e artigos encontrados não apresentam informação detalhadas sobre a previsão da vida baseado em análises de fadiga multiaxial que utilizem o MEF para cálculo das próteses odontológicas. O objetivo deste trabalho foi propor um modelo numérico computacional utilizando o MEF para avaliar a vida à fadiga em próteses odontológicas submetidas a carregamentos multiaxiais. Para isso, foi empregada a manipulação de imagens adquiridas, ensaios experimentais normativos, Análise por Elemento Finitos (FEA) na previsão de vida à fadiga aplicada tanto em carregamento uniaxial ou multiaxial, a contabilização do dano por fadiga em carregamento multiaxial de amplitude variáveis, otimização e implementação de subrotina para as interfaces APDL -MATLAB. Os resultados mostraram que, através das técnicas de aquisição de dados de imagens (Micro-CT) e medições mecânicas combinadas com métodos numéricos consegue-se modelar uma estrutura complexa como uma prótese dental. / Dental prostheses are structures that restore the masticatory function and replace damaged dental components. Most studies on dental prostheses involve that classical analytical methods of structure analysis are infeasible and situations in which experimentation is difficult. These prostheses, under real conditions of cyclic loading (chewing), are repeatedly subjected to cyclic multiaxial stress states. In this sense, the cyclical nature of the loading, to which the components of the prosthesis are submitted, suggests that the fatigue failure mode has greater relevance in this type of structure. The development of computation and the increase of processing capacities have allowed greater implementation of numerical methods, such as Finite Element Methods (FEM). Through this method (FEM) it is performed the modeling of the mechanical behavior which is adjusted to the physical reality of the involved biomechanical factors. In a bibliographical review, it was verified that most of the books and articles found do not present detailed information about the prediction of life based on analyzes of multiaxial fatigue that use the FEM to calculate the dental prostheses. The objective of this research was to propose a computational numerical model using the FEM to evaluate the life to the fatigue in dental prostheses submitted to multiaxial loads. For this, we used the manipulation of acquired images, normative experimental tests, Finite Element analysis (FEA) in the prediction of life to the fatigue applied in either uniaxial or multiaxial loading, the counting of the fatigue damage in multiaxial amplitude variable loading, optimization and implementation of the subroutine for the APDL -MATLAB interfaces. The results showed that, through the techniques of image data acquisition (Micro-CT) and mechanical measurements combined with numerical methods, it is possible to model a complex structure such as a dental prostheses.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Estatística Aplicada e Modelação, na Faculçdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Francisco José Lage Campelo Calheiros