M.S.

The purpose of this work is to look into the fundamental issues regarding spring design and develop a new, easy to use software program that would allow for optimal, flexible spring designs. Most commercial programs that address this function are basic and do not allow the designer much control over the variables hindering design. This is so because most programs start from the premise that the spring is a general purpose part of the system or that other design parameters can be altered to accommodate the chosen spring. In cases where this is not so, such as in hydraulic cartridge valves, where the geometric constraints are severe, spring design may be a cumbersome process. This is particularly true when fatigue life is taken into account. The solution chosen here is to tailor the software application to these particular design constraints, incorporating some ideas about spring optimization. In addition to this, a concerted effort was made to make the subject more accessible to the engineers using the program by automating the more technical aspects of the process allowing the designers to make intelligent decisions based on how the variables would affect design. To this end currently existing software was evaluated to determine where it was lacking and a new program was written and painstakingly tested. Finally, it was used to correct flaws identified in existing springs.

This thesis explores the design, implementation and performance of a new concept for a low-cost, high-resolution, lightweight, compact and highly-portable tactile display. This tactile device is intended to be used in a novel visuo-tactile sensory substitution/supplemen-tation electronic travel aid (ETA) for the blind/visually impaired.Based on the psychophysiology of touch and using Shape Memory Alloys (SMAs) as the actuation technology, a mechatronic device was designed and prototyped to stimulate the sense of touch by creating sensations of contact on the fingertips.The prototype consists of an array of 64 elements spaced 2.6 mm apart that vertically actuates SMA based miniature actuators of 1.5 mm diameter to a height range of 1.4 mm with a pull force of 300 mN up to a 1.5 Hz bandwidth. The full display weights 200 g and its compact dimensions (a cube of 8 cm side-length) make it easy for the user to carry. The display is capable of presenting a wide range of tactile binary information on its 8 x 8 matrix. Moreover, both mechanical and electronic drive designs are easily scalable to larger devices while still being price attractive.Human psychophysics experiments demonstrate the effectiveness of the tactile information transmitted by the display to sighted people and show feasibility in principle of the system as an assistive technology for the blind/visually impaired.

Submitted by Marcio Miazaki null (mmiazaki@gmail.com) on 2017-12-12T15:38:22Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 2498214 bytes, checksum: bbe1b8f57d985978dca7748b50feb796 (MD5) / Submitted by Marcio Miazaki null (mmiazaki@gmail.com) on 2017-12-14T11:25:02Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 2498214 bytes, checksum: bbe1b8f57d985978dca7748b50feb796 (MD5) / Submitted by Marcio Miazaki null (mmiazaki@gmail.com) on 2017-12-14T13:50:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao.pdf: 2498214 bytes, checksum: bbe1b8f57d985978dca7748b50feb796 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2017-12-18T10:25:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 miazaki_m_me_ilha.pdf: 2498214 bytes, checksum: bbe1b8f57d985978dca7748b50feb796 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-18T10:25:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 miazaki_m_me_ilha.pdf: 2498214 bytes, checksum: bbe1b8f57d985978dca7748b50feb796 (MD5) Previous issue date: 2017-11-30 / Este trabalho apresenta uma proposta de utilização de molas helicoidais de liga com memória de forma presentes em rotores flexíveis para a atenuação dos deslocamentos laterais decorrentes de forças de perturbação, notadamente das forças de desbalanceamento. Num primeiro momento, o trabalho apresenta os principais modelos constitutivos de ligas com memória de forma (LMF), onde o princípio de funcionamento deste tipo de material é demonstrado por meio de simulações numéricas, e os resultados obtidos são confrontados com dados disponíveis na literatura. Discute-se também a questão da utilização de um modelo mais simplificado para representar o comportamento da liga para diferentes carregamentos termomecânicos. Dois modelos termomecânicos são confrontados numericamente visando representar adequadamente o comportamento termomecânico da LMF durante as transformações de fase. O trabalho evolui para a construção do modelo matemático via elementos finitos de rotores flexíveis contendo molas helicoidais de LMF e por fim apresenta um conjunto de simulações numéricas para comprovar a eficiência e a potencialidade do procedimento teórico formulado. O trabalho termina comentando as potencialidades da proposta apresentada, discutindo as facilidades e dificuldades encontradas na sua implementação e apontando para o desenvolvimento de futuros estudos. / This work proposes shape memory alloy helical springs present in flexible rotors for the attenuation of lateral displacements mainly caused by unbalance forces. This work presents some constitutive models of shape memory alloys (SMA). The principle of operation of this type of material is demonstrated by numerical simulations and the results obtained are compared with data available in the literature. The present work investigates the use of a simplified model to represent the behavior of the SMA for different thermomechanical loads. Two thermomechanical models are numerically confronted in order to represent properly the thermomechanical behavior of the SMA during the phase transformations. Based on the finite element model of flexible rotors containing helical springs of SMA, the efficiency and the potentiality of the theoretical procedure are shown through numerical simulations. This work is concluded presenting the potentialities of the design methodology proposed and future developments to be implemented.

Orientador: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Resumo: Este trabalho apresenta uma proposta de utilização de molas helicoidais de liga com memória de forma presentes em rotores flexíveis para a atenuação dos deslocamentos laterais decorrentes de forças de perturbação, notadamente das forças de desbalanceamento. Num primeiro momento, o trabalho apresenta os principais modelos constitutivos de ligas com memória de forma (LMF), onde o princípio de funcionamento deste tipo de material é demonstrado por meio de simulações numéricas, e os resultados obtidos são confrontados com dados disponíveis na literatura. Discute-se também a questão da utilização de um modelo mais simplificado para representar o comportamento da liga para diferentes carregamentos termomecânicos. Dois modelos termomecânicos são confrontados numericamente visando representar adequadamente o comportamento termomecânico da LMF durante as transformações de fase. O trabalho evolui para a construção do modelo matemático via elementos finitos de rotores flexíveis contendo molas helicoidais de LMF e por fim apresenta um conjunto de simulações numéricas para comprovar a eficiência e a potencialidade do procedimento teórico formulado. O trabalho termina comentando as potencialidades da proposta apresentada, discutindo as facilidades e dificuldades encontradas na sua implementação e apontando para o desenvolvimento de futuros estudos. / Abstract: This work proposes shape memory alloy helical springs present in flexible rotors for the attenuation of lateral displacements mainly caused by unbalance forces. This work presents some constitutive models of shape memory alloys (SMA). The principle of operation of this type of material is demonstrated by numerical simulations and the results obtained are compared with data available in the literature. The present work investigates the use of a simplified model to represent the behavior of the SMA for different thermomechanical loads. Two thermomechanical models are numerically confronted in order to represent properly the thermomechanical behavior of the SMA during the phase transformations. Based on the finite element model of flexible rotors containing helical springs of SMA, the efficiency and the potentiality of the theoretical procedure are shown through numerical simulations. This work is concluded presenting the potentialities of the design methodology proposed and future developments to be implemented. / Mestre

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-09T13:19:28Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ JOELSON DE MELO SANTIAGO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5893476 bytes, checksum: 9fec0f8b27ff639270bebb4444b2285c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-09T13:19:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ JOELSON DE MELO SANTIAGO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5893476 bytes, checksum: 9fec0f8b27ff639270bebb4444b2285c (MD5) Previous issue date: 2018-08-30 / Em muitas situações de projeto em sistemas mecânicos deseja-se rigidez e ao mesmo tempo uma certa flexibilidade. Nesses casos, as molas são elementos interessantes, por isso esses componentes foram bastante estudados. Em paralelo, visando ampliar as possibilidades, novos materiais têm se desenvolvido, a exemplo de materiais funcionais, como é o caso das ligas com memória de forma (LMF). As molas helicoidais fabricadas a partir de LMF são componentes promissores para aplicações como atuadores/sensores, pela capacidade de recuperar grandes deformações elásticas e pseudo-plásticas. Atualmente esses componentes são obtidos em sua maioria através da conformação de fios, a frio ou a quente, e tem aplicação consolidada no campo biomédico, porém no campo industrial as aplicações comerciais ainda são limitadas. Neste cenário, utilizar a fundição de precisão para este tipo de componente pode ampliar as possibilidades e aumentar as aplicações em diversos setores. Por outro lado, é de amplo interesse entender a relação entre as propriedades mecânicas e as configurações geométricas destes elementos. Neste contexto, o principal objetivo deste trabalho é a caracterização térmica e mecânica de molas helicoidais de LMF Ni-Ti (MLMFNiTi) com diferentes configurações, produzidas pelo processo de fundição de precisão, empregando a fusão por indução com injeção por centrifugação (FIC) em moldes cerâmicos. Os resultados obtidos mostraram que as molas produzidas apresentaram transformação de fase característica dos fenômenos de superelasticidade (SE). Por meio dos ensaios mecânicos constatou-se que as molas suportaram, no geral, deformações de até 70%. Os parâmetros dimensionais influenciaram o comportamento mecânico para o qual o aumento do passo e do diâmetro do fio fizeram aumentar a força aplicada para submeter as molas as mesmas deformações. Dessa forma, as molas produzidas apresentam características funcionais adequadas para potencializar aplicações industriais a partir de LMF Ni-Ti. / In many situations of design in mechanical systems one wants rigidity and at the same time a certain flexibility. In these cases, the springs are interesting elements, so these components were well studied. In parallel, in order to expand possibilities, new materials have been developed, such as functional materials, such as shape memory alloys (LMF). Helical springs made from LMF are promising components for applications such as actuators / sensors, for the ability to recover large elastic and pseudo-plastic deformations. Currently, these components are mostly obtained through wire forming, either cold or hot, and have consolidated application in the biomedical field, but in the industrial field commercial applications are still limited. In this scenario, using precision casting for this type of component can expand the possibilities and increase the applications in several sectors. On the other hand, it is of broad interest to understand the relation between the mechanical properties and the geometric configurations of these elements. In this context, the main objective of this work is the thermal and mechanical characterization of LMF Ni-Ti helical springs (MLMFNiTi) with different configurations, produced by the invesment casting process, using induction fusion with centrifugal injection (FIC) in ceramic molds. The obtained results showed that the produced springs presented phase transformation characteristic of the phenomena of superelasticity (SE). Through the mechanical tests it was found that the springs generally supported deformations of up to 70%. The dimensional parameters influenced the mechanical behavior for which the step increase, and the wire diameter increased the applied force to subject the springs to the same deformations. Thus, the springs produced have functional characteristics suitable to enhance industrial applications from LMF Ni-Ti.