Este trabalho se direciona na construção de um modelo detalhado de elementos finitos da Câmara de empuxo do motor L15 a propulsão líquida. O sistema estrutural compõe-se das seguintes partes: tubeira, suporte, garganta, cinta de resfriamento e câmara de combustão. A pré-análise, apresentada neste trabalho, ajuda a compreender e prever a influência das deformações e respectivas tensões, antes da construção de um protótipo para ensaio reduzindo esforços, custos e permitindo uma visão com boa margem de segurança sobre os resultados que serão obtidos com os testes práticos. A análise teórica da estabilidade de um sistema, assim como também, a simulação de sua operação, requer a elaboração de um modelo matemático para descrever, sempre com algum nível de aproximação, os fenômenos mais importantes do sistema real. No presente trabalho, esta modelagem é feita pelo "software" MSC. "Patran/Nastran V.2004" através da criação de modelos geométricos e a geração de malha com materiais diversos. É possível por meio do "software" utilizado, prever as tensões em áreas críticas, melhorar a qualidade dos resultados através do refinamento de malha. O método proporciona uma redução significativa no tempo e no esforço necessário para a realização da análise estrutural. Os resultados foram comparados com valores obtidos para tensão de escoamento e ruptura dos materiais, e margens de segurança foram determinadas.

Neglecting the structural dynamic effects on the flight dynamics of modern aircraft may be inadequate. Dynamic coupling between the rigid-body and the elastic degrees of freedom can occur when the design favors strength over stiffness and the frequency separation between the classical flight dynamic modes and the aeroelastic modes becomes small enough. Degraded flying and ride qualities and increased susceptibility to fatigue damage and pilot-induced oscillations are among the possible consequences of the dynamic coupling. The design of control systems is also highly affected. The initial models for the flight dynamics of flexible aircraft considered only quasi-static aeroelastic effects on the aerodynamic coefficients of the rigid aircraft. The dynamically-coupled formulations, on the other hand, have often neglected the inertial coupling between the rigid-body and the elastic degrees of freedom. Indeed, most authors have used linearized mean-axis constraints in deriving simplified equations of motion that remain only aerodynamically coupled. To analyze the accuracy of the inertially-decoupled formulation in the context of small deformations, a formulation that takes into account all the coupled dynamics and allows an arbitrary choice of the body-axis system is developed in this thesis. The availability of a finite-element model of the aircraft structure, together with lumped mass properties, is required. In the equations of motion, the inertial coupling terms are linearized with respect to the elastic displacements around an equilibrium condition determined with the full nonlinear dynamics. Appropriate modes of vibration are then used as shape functions in the calculation of the dynamic deformation of the structure. The generalized aerodynamic forces are treated as the superposition of the rigid-body contributions and the incremental ones due to elastic deformation. The latter are modeled by the doublet-lattice method, aerodynamically corrected to take into account major transonic and viscous effects. Rational-function approximations are part of the process that allows the representation of the frequency-domain aerodynamics in the time domain, leading to an augmented state-space system that considers the aerodynamic lag phenomenon. The formulation is implemented and tested in the flight simulation of a generic narrow-body airliner (GNBA) model, developed for the purpose of these studies. Results are presented that show that the different body axes lead practically to the same overall motion of the aircraft with respect to an inertial reference frame. The benefits and the limitations in using each different axis system and in considering or not the dynamic and the inertial couplings are analyzed.

Este trabalho apresenta o uso de técnicas de otimização, baseadas em Meta-Heurísticas, em vistas de propor melhorias no projeto e desempenho de um acelerômetro capacitivo, baseado na tecnologia de Sistemas Micro-Eletro-Mecânicos (Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS), desenvolvido dentro do escopo do projeto ACELERAD.A modelagem analítica é apresentada com enfoque em modelos analíticos alternativos, para representação do amortecimento por compressão em filmes finos de fluido, para baixas pressões, aplicados em dispositivos MEMS, visando refinar a modelagem do microacelerômetro do ponto de vista fluido-mecânico. Também são abordados alguns dos principais modelos semi-empíricos, aplicados na representação de comportamento térmico do material de constituição do elemento sensor. Um circuito elétrico analógico de interrogação do sensor é apresentado, a fim de compor o sistema elétrico do dispositivo, visando uma abordagem alternativa de interrogação do transdutor de aceleração MEMS. Também é apresentado um modelo do dispositivo, com a inclusão do modelo adotado para representar o amortecimento por compressão de filmes finos de fluido. O modelo refinado do transdutor de aceleração MEMS é empregado como um problema de otimização de caráter complexo, os quais são resolvíveis por métodos de resolução de problemas de otimização robustos, baseados em técnicas estocásticas. Os métodos PSO (ParticleSwarmOptimization) e BH (Black Hole) são aplicados ao problema, visando melhoria de performance dinâmica, e simultaneamente, a redução do tamanho total do dispositivo. Como resultado, foram obtidos duas novas configurações para o transdutor de aceleração, preservando-se o mesmo processo de fabricação dentro dos limites tecnológicos aplicáveis ao mesmo.A caracterização do microacelerômetro MEMS, fabricado no âmbito do projeto ACELERAD é iniciada e são apresentados os modelos que permitem estimar algumas das principais variáveis do dispositivo. Adicionalmente, foram realizadas as primeiras medidas experimentais do dispositivo em território nacional.

Esta dissertação apresenta uma análise estrutural em regime transiente da câmara de empuxo do Motor Foguete a Propelente Líquido L15 que se encontra em desenvolvimento na Divisão de Propulsão Espacial, no Instituto de Aeronáutica e Espaço. Para tanto foi utilizado o método de elementos finitos por meio dos programas MSC.Patran e MSC.Nastran. O regime transiente caracteriza-se pela existência de um carregamento dinâmico, a pressão de câmara, variando no domínio do tempo. Para a determinação das respostas dinâmicas foi selecionada uma solução MSC.Nastran que calcula a resposta utilizando o método da superposição modal. Deslocamentos e acelerações de nós em duas diferentes regiões da câmara de empuxo (região cilíndrica e tubeira) foram resultados utilizados para quantificar a magnitude e intensidade das vibrações geradas nesses locais e verificar a influência do amortecimento.

A viabilidade de utilização de materiais compósitos de matriz orgânica em turbinas hidráulicas é abordada no decorrer deste trabalho. A abordagem específica é voltada à aplicação dos materiais compósitos em palhetas diretrizes dos distribuidores das turbinas. O trabalho descreve os parâmetros de projeto, operação e fabricação das palhetas diretrizes de acordo com as tecnologias atuais. Adicionalmente são exploradas as potencialidades dos materiais compósitos levando-se em consideração as propriedades mecânicas, físicas e químicas destes materiais para a aplicação em palhetas diretrizes. Sob esta ótica, foi explorada a resistência dos materiais compósitos quanto à umidade, ao desgaste e ao impacto identificando as potencialidades e limitações referentes a estes aspectos comparando-os por sua vez com os requisitos de projetos das palhetas diretrizes. Na fase de desenvolvimento do trabalho foi escolhido um projeto de referência de palheta diretriz que foi utilizado para a realização das análises comparativas das propostas de materiais compósitos apresentadas neste trabalho. As comparações das análises estruturais foram realizadas através do método de elementos finitos com o software ANSYS e módulo específico de materiais compósitos ACP. Basicamente foram realizadas análises globais quanto ao comportamento mecânico focando-se essencialmente na deformação do perfil e rotação dos mancais das palhetas como critério de comparação entre os projetos. Os resultados das análises mecânicas foram comparados entre as diferentes propostas analisadas, juntamente com as análises quanto às propriedades físicas e químicas dos materiais compósitos bem como o comparativo econômico das soluções mais promissoras. Por sua vez, as conclusões do trabalho ponderam as potencialidades e limitações dos materiais compósitos de matriz orgânica na aplicação de palhetas diretrizes e em turbinas hidráulicas de uma forma geral.

O objetivo deste trabalho é propor modelos em elementos finitos que sejam capazes de descrever o comportamento do elemento estrutural representativo conhecido por Viga de Kuhn, quando este é fabricado pelo processo de união permanente intitulado Solda por Atrito - FSW (Friction Stir Welding), quando comparado a modelos analíticos. Inicialmente, faz-se uma ampla revisão bibliográfica dos trabalhos de autores diversos. Desta, originou-se uma descrição do processo de solda FSW, sua viabilidade como processo e seu potencial para a indústria aeronáutica. Ainda, seguiu-se a descrição da Viga de Kuhn, com foco de interesse no estudo do regime de pós-flambagem. São apresentados os métodos analíticos de análise de flambagem e pós-flambagem seguida de falha, tendo a literatura clássica para junções rebitadas como fundamento. Foram desenvolvidos três modelos de Elementos Finitos para o estudo computacional que incorporam junções com o objetivo de simular a soldagem FSW. São confrontados os resultados analíticos e computacionais como forma de melhor compreender o comportamento em pós-flambagem da viga.

Neste trabalho, formulações do Método dos Elementos Finitos (MEF) são utilizadas no cálculo das soluções de problemas de ondas TEM, TE, TM, em guias de microondas e modos Ex e Ey em guias ópticos. É apresentada a técnica de mapeamento espacial, associada ao MEF, para a solução de modos quasi-guiados (problemas de domínio aberto. São considerados modos TEM e modos Ex e Ey. A abordagem de integração analítica dos elementos de matriz das formulações do MEF é estendida para considerar meios anisotrópicos e não-homogêneos, com qualquer ordem de aproximação polinomial das funções de base de elementos triangulares. O MEF foi aplicado no modelamento de moduladores eletroópticos tipo Mach-Zehnder com guias ópticos construídos por difusão de Titânio em substrato cristalino de Niobato de Lítio (LiNbO3). É apresentada, também, uma análise crítica dos modelos que relacionam a concentração de prótons às variações do índice de refração extraordinário em guias ópticos manufaturados pela técnica de troca de prótons em LiNbO3, seguido de recozimento ("annealing").

O presente trabalho tem como objetivo comparar um modelo de formação de cavacos obtido pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) com resultados experimentais obtidos em processos de fresamento ortogonal. A comparação se concentra na distribuição de temperatura na peça. O trabalho desenvolve um modelo para a formação de cavacos com a distribuição de temperatura na região de corte usando o software ABAQUS. Inicialmente, o modelo desenvolvido utiliza o Método Explícito de solução para a formação de cavacos durante uma interação da aresta da fresa de topo com a peça. Para a simulação da operação completa de fresamento ortogonal de uma peça com a extensão de 80 mm e espessura de 5 mm em aço AISI 4340 endurecido, o método implícito é utilizado. O material da peça é modelado como isotrópico-elasto-plástico segundo a proposta de Johnson-Cook. A comparação é realizada com velocidades de corte de 80, 100 e 150 m/mim e avanço por dente de 0,17 mm/rev para que as influências da velocidade na temperatura possam ser avaliadas. A partir da comparação desses resultados, é possível analisar a eficiência do modelo desenvolvido pelo MEF para simulação de processos de Usinagem em Altas Velocidades de Corte (HSC - High Speed Cutting). / The goal of this study is to compare a model of chip formation obtained by the Finite Element Method (FEM) with experimental results in orthogonal milling process. The comparison focuses on the temperature distribution in the workpiece. The present work develops a model for chip formation with the temperature distribution in the cutting zone using the software ABAQUS. The model starts using the explicit method of solution for the chip formation during one interaction between the insert and the workpiece. To simulate a complete operation of orthogonal milling on a workpiece 80 mm long and 5 mm thick made of AISI 4340 hardened steel, it was used the implicit method. The workpiece material is modeled as an isotropic-elastic-plastic according to the Johnson-Cook proposal. The comparison is made using cutting speeds of 80, 100 and 150 m/min and feed rate of 0.17 mm/rev to check the in uences of cutting speed on the temperature. From the comparison of these results, it is possible to assess the eciency of the model developed by FEM simulation when machining using High Speed Cutting (HSC) conditions.

O fenômeno de impacto mecânico entre corpos sólidos está presente em diversas áreas da engenharia. Exemplos atuais deste tipo de problema podem ser encontrados no projeto de elementos de máquinas, sistemas de transporte como containers com material nuclear, tubulações em indústrias químicas, autoveículos e várias outras estruturas que devem obedecer à códigos de segurança estabelecidos por legislações governamentais. Na maioria destes casos, o conhecimento das tensões oriundas do impacto entre os corpos é fundamental para evitarem-se fa-lhas nas estruturas projetadas, predizer danos indesejáveis, diminuir coeficientes de segurança, etc. Neste contexto, é proposta neste trabalho uma metodologia de projeto contra impacto em sistemas mecânicos elásticos baseada nas equações de superfície de tensão máxima, que representam diferentes situações de impacto em uma determinada geometria. O Método dos Elementos Finitos com a integração explícita no tempo é aplicado para resolver o problema dinâmico associado ao impacto. Como exemplos de aplicações são estudados um suporte e um eixo chavetado. / Impact between solid bodies is present in many areas of engineering. Relevant examples of this sort of problem can be found in machine element design, transport systems such as containers for nuclear material, pipes in chemical plants, vehicles and many others structures that should comply with safety codes issued by govern agencies. In the majority of these cases, the knowledge of the stresses due to the impact between the bodies is fundamental to avoid failures on the designed structures, to predict undesired damages, and to decrease safety factors. Therefore, in this work a design methodology for linear mechanical systems submitted to impact is proposed. It is based on the surface of maximum stress which represents different crash situations for a given elastic model. The Finite Element Method with the explicit time integration algorithm is used to solve the associated dynamic problem. Examples are presented such as a bracket and a shaft.

Este trabalho procura desenvolver um novo modelo para análise estrutural de chapeamentos reforçados, que propõe ligar dois elementos estruturais de diferentes formulações, a saber: - Elementos de viga, analisados utilizando-se o método da rigidez, baseado na teoria linear de vigas, sendo, portanto, dentro das hipóteses inerentes à teoria , um método exato. Para tanto, desenvolve-se um novo elemento chamado viga excêntrica; - elementos de placa, analisados utilizando-se o método dos elementos finitos, podendo trabalhar com cargas em flexão e cargas no próprio plano acarretando um comportamento de membrana. O novo elemento de viga excêntrica é introduzido no programa SAP-VI (1) (podendo no entanto utilizar-se de outros programas), sendo realizados testes de interação com os elementos finitos de placa existentes no programa (2). O novo modelo revelou-se economicamente viável quando da sua utilização em chapeamentos reforçados, evitando-se a divisão em elementos finitos dos enrijecedores, que têm seu próprio comportamento dentro da teoria simples de vigas. / This work develops a new model for structural analysis of stiffened plating, involving two elements of different formulation, that is: - beam elements, analysed by the matrix method, based in the linear theory of beams, being then, with the hypothesis inherent to that theory, an exact method. For this purpose, it is developed a new element called \"eccentric beam\"; - plate elements, analysed by the finit element technique, working in bending and with loads in it\'s own plane, occasioning a membrane effect. The \"eccentric beam\" element is introduced in the SAP-IV (1) program (we might, however, use other programs). Tests were then carried out to assess the proper interaction of plate elements (2) and \"eccentric beam\". It was demonstrated that the new model is advantangeous when used in stiffened plating, avoinding the division in finite elements of the stiffeners.