A Tomografia por Impedância Elétrica (TIE) é uma técnica recente de obtenção de imagens médicas para monitoração de tecidos biológicos. A TIE nos permite obter imagens que representam um plano transverso de qualquer seção do corpo humano (cabeça, tórax, coxa, etc.), onde cada “pixel" na imagem representa a sua impedância ou resistividade elétrica. As imagens são geradas através de valores de voltagens medidos em eletrodos posicionados em torno da seção do corpo humano. Estas voltagens são obtidas aplicando-se uma seqüência de corrente elétrica de baixa amplitude nos eletrodos, de acordo com um padrão da excitação elétrica (adjacente ou diametral). A TIE é baseada na solução de um problema inverso, onde dadas as voltagens medidas no exterior do corpo, essa técnica tenta encontrar a distribuição de condutividades no interior do corpo. O objetivo principal deste trabalho é aplicar o Método de Otimização Topológica (MOT) para obtenção de imagens da seção de um corpo na TIE. A Otimização Topológica (OT) busca a distribuição de material no interior de um domínio de projeto, retirando e adicionado material em cada ponto desse domínio de maneira a minimizar (ou maximizar) uma função objetivo especificada, satisfazendo dadas restrições impostas ao problema de otimização. Neste trabalho, o MOT é um método iterativo, cujo algoritmo computacional (implementado em linguagem C) combina o Método dos Elementos Finitos (MEF) e um algoritmo de otimização conhecido por Programação Linear Seqüencial (PLS). O problema de obtenção da imagem usando MOT consiste em se obter a distribuição de material (ou de condutividade) na seção do corpo que minimize a diferença entre os potenciais elétricos medidos nos eletrodos e os potenciais calculados num modelo computacional. A principal vantagem do MOT, aplicado à obtenção de imagens na TIE, é permitir a inclusão de várias restrições no problema de otimização, reduzindo o espaço de solução e evitando imagens sem significado clínico. Neste trabalho, o MOT utiliza o modelo de material SIMP para relaxar o problema de OT e vários esquemas são implementados com o intuito de regularizar o problema inverso da TIE (resolvido pelo MOT), tais como parâmetro de sintonia da imagem (“tuning"), restrição baseada na condutividade média do domínio da imagem, filtro espacial de controle de gradientes, aumento gradual do fator de penalidade do modelo de material (método de continuação) e aproximação contínua da distribuição de material (“CAMD"). Este trabalho está inserido num projeto temático cujo objetivo é estudar técnicas de reconstrução de imagem aplicadas a um tomógrafo por impedância elétrica para monitorar de forma precisa a ventilação forçada do pulmão e diagnosticar quando alguma parte do pulmão estiver danificada (obstruída ou colapsada) durante o processo de ventilação forçada. Para ilustração, são apresentadas imagens obtidas utilizando-se dados numéricos e experimentais de voltagem de domínios 2D bem conhecidos. / The Electrical Impedance Tomography (EIT) is a recent monitoring technique on biological tissues. The EIT allows us to obtain images representing a transversal plane of any section of human body (head, thorax, thigh, etc). Each image pixel is related to its corresponding value of electrical impedance (or resistivity). The images are generated from voltage values measured on electrodes positioned around the section of human body. These voltages are obtained by applying to the electrodes an alternated sequence of low intensity electrical currents in according to an excitation pattern (adjacent or diametral). The EIT is based on an inverse problem, where given the voltages measured outside of body, this technique tries to find the conductivity distribution inside of the body. In this work, the main objective is to apply Topology Optimization Method (TOM) to obtain images of body section in EIT. Topology Optimization seeks a material distribution inside of a design domain, determining which points of space should be solid and which points should be void, to minimize (or maximize) an objective function requirement, satisfying specified constraints. In this work, the MOT is an iterative method whose computational algorithm (implemented in C language) combines Finite Element Method (FEM) and an optimization algorithm called Sequential Linear Programming (SLP). The topology optimization problem applied to obtain images consists of finding the material (or conductivity) distribution in the body section that minimizes the difference between electric potential measured on electrodes and electric potential calculated by using a computational model. The main advantage of TOM applied to image reconstruction in EIT is to allow us to include several constraints in optimization problem, which reduces the solution space and avoids images without clinical meaning. In this work, the MOT uses a material model based on SIMP to makes relaxation of topology optimization problem and several regularization schemes are implemented to solve inverse problem of EIT, such as image tuning control, weighted distance interpolation based on average conductivity of domain, spatial filtering technique for gradient control, graduated changing in penalty factor of material model during the optimization process (continuity method), and continuous approximation of material distribution (CAMD). This work belongs to a thematic project whose aim is to study reconstruction image algorithms that could be used in an EIT device to monitor accurately mechanical ventilation of lung and to diagnose when any portion of lung is damaged (obstructed or collapsed) during mechanical ventilation process. To illustrate the implementation of the method, image reconstruction results obtained by using voltage numerical and experimental data of well-know 2D domains are shown.

Computer simulations have become a great tool to assist the medical field. The present work is a study of a non-invasive patient-specific methodology to evaluate the hemodynamic importance of coronary stenosis using computer simulations. The severity of the lesion is evaluated by the Fractional Flow Reserve, calculated by the pressure gradient before and after the lesion. The geometry models are obtained from medical images of Computed Tomography Angiography exams, and the simulations considers the pulsatile flow and the blood as a non-Newtonian fluid. The governing equations of the blood flow are solved by using Finite Element Method applied to the numerical method called Incremental Pressure Correction Scheme, and with the aid of the libraries from the open-source software FEniCS. Computer simulations of three different patients are performed and the results are compared with the invasive FFR measurements. The methodology proposed shows to be feasible in the study and analysis of stenosed coronaries. / Simulações computacionais tornaram-se uma excelente ferramenta para auxiliar a área médica. O presente trabalho é um estudo de uma metodologia não invasiva para avaliar a importância hemodinâmica de artérias coronárias com estenose através do uso de simulações computacionais. A severidade da lesão da artéria é avaliada através do Fractional Flow Reserve, calculado pelo gradiente de pressão antes e depois da lesão. Os modelos geométricos computacionais foram obtidos a partir de imagens médicas de exames de Angiografia por Tomografia Computadorizada e as simulações consideram o fluxo pulsátil e as propriedades não-Newtonianas do sangue. As equações governantes do fluxo de sangue são resolvidas utilizando o Método dos Elementos Finitos aplicado ao método numérico chamado Incremental Pressure Correction Scheme, e com o uso de bibliotecas do programa em código aberto FEniCS. Foram realizados simulações de três pacientes e os resultados foram confrontados com as medidas invasivas do FFR. A metodologia proposta mostrou-se viável para o estudo e análise de coronárias com estenose.

The price of crude oil is a major concern for oil companies nowadays, maintaining costs in deepwater drilling activities is of utmost importance. The contribution of the heave movement from oating platforms to the vibrations of drillstrings is still a subject not fully appreciated in the literature. This work deals with the dynamic behavior of the drillstring through nite element analysis (FEA) when an oscillating axial displacement at the top is applied. Numerous drillstring models were generated using two-dimensional beam elements that have degrees of freedom for the axial, shear, bending, and torsion types of displacement. The models incorporated an axial displacement at the top of a vertical drillstring set at the bottom. Natural frequencies were obtained for all degrees of freedom considering diferent heave scenarios. The variation in the normal forces distribution due to the inertia efect on the entire structure caused a change in the stillness for shear and bending degrees of freedom. The variation of natural frequencies related to shear were obtained. In addition, the displacement of the neutral point in the drill column was obtained. The results presented here should contribute to future research on complex dynamic behavior of drillstrings. / O preço do petróleo bruto é uma grande preocupação para as empresas de petróleo hoje em dia, a manutenção de custos em atividades de perfuração em águas profundas é de extrema importância. A contribuição do movimento de heave das plataformas flutuantes para as vibrações das colunas de perfuração ainda é um assunto não totalmente apreciado na literatura. Este trabalho aborda o comportamento dinâmico da coluna de perfuração através da análise de elementos nitos (FEA) quando um deslocamento axial oscilante no topo é aplicado. Numerosos modelos de colunas de perfuração foram gerados usando elementos de vigas bidimensionais que possuem graus de liberdade axiais, de cisalhamento, flexão e torção. Os modelos incorporaram uma deslocamento axial no topo de uma coluna de perfuração vertical engastada na parte inferior. Frequências naturais foram obtidas para todos os graus de liberdade considerando diferentes cenários de heave. A variação na distribuição de forças normais devido ao efeito de inércia em toda a estrutura causou uma mudança na rigidez para graus de liberdade de cisalhamento e flexão. As variações das frequências naturais relacionadas ao cisalhamento foram obtidas. Além disso, o deslocamento do ponto neutro na coluna de perfuração foi obtido. Os resultados aqui apresentados deverão contribuir para futuras pesquisas em comportamento dinâmico complexo de drillstrings.

O presente trabalho avaliou métodos de cálculo consagrados internacionalmente de estruturas de contenção estabilizadas pela técnica de solo grampeado. A obra do Novo Hospital da Beneficência Portuguesa em São Paulo/SP, que contou com significante investigação geotécnica de campo e de laboratório e instrumentação e monitoramento durante e após as etapas executivas, serviu de base para elaboração e calibração de modelos computacionais tridimensionais, em elementos finitos, de forma a servirem de comparação com os métodos de cálculos analíticos. A avaliação dos diversos métodos compreendeu os esforços nos grampos (tração, cisalhamento e momento fletor), posição geométrica dos esforços de tração máxima, forma e local da superfície de ruptura e fator de segurança obtido. Verificou-se que, para as condições apresentadas na obra, a maior parte dos métodos de cálculo apresentaram fatores de segurança superiores ao MEF, com valores de 1 a 213 %, com exceção do método de Davis. Os resultados mostraram que o método de empuxo empregado pela FHWA, apesar de ter sido mais arrojado que o modelo de referência em 11 %, se mostrou um método simples e acurado para cálculos expeditos. Conclui-se que o uso do software comercial se mostrou a melhor ferramentas para o cálculo do solo grampeado, obtendo resultados muito próximos ao do modelo numérico com a possibilidade de consideração da estratigrafia do subsolo e de permitir uma análise mais completa do dimensionamento como um todo (geometria, parametrização, visualização das análises e resultados, consideração do nível de água, análises probabilísticas e etc.). / The present work evaluated internationally recognized calculation methods of containment structures stabilized by the soil nailing technique. The work of the New Hospital of Beneficência Portuguesa in São Paulo, SP, which consisted of significant field and laboratory geotechnical investigation and instrumentation and monitoring during and after the executive stages, served as the basis for the elaboration and calibration of three-dimensional computational models in elements finite, in order to serve as comparison for analytical analyzes. The evaluation of the various methods involved the stresses in the nails (tensile, shear and bending moment), geometric position of the maximum tensile stresses, the shape of the rupture surface and obtained safety factor. It was verified that, for the conditions presented in the work, most of the calculation methods resulted safety factor higher than MEF, with values from 1 to 213 %, with the exception of the Davis method. The results showed that the buoyancy method employed by FHWA, despite being bolder than the reference model in 11 %, proved to be a simple and accurate method for fast calculations. It was concluded that the use of commercial software proved to be the best tools for the calculation of soil nailing, obtaining results very close to the numerical model with the possibility of considering the stratigraphy of the subsoil and to allow a more complete analysis of the whole scale (geometry, parameterization, visualization of analyzes and results, consideration of water level, probabilistic analyzes and etc.).

Orientador: Marcelo Grafulha Vanti. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau,

Os materiais resilientes ou macios para reembasamento de base de próteses são utilizados na clínica odontológica com a finalidade de proporcionar maior conforto e eficiência mastigatória aos pacientes que utilizam próteses removíveis totais e que por situações específicas não suportam uma prótese removível total convencional com base rígida. Atualmente é muito utilizado nas próteses removíveis transicionais, para minimizar as pressões sobre implantes que se encontram na fase de osseointegração, além de proporcionar ausência de lesões traumáticas e condicionamento tecidual durante o período pós-cirúrgico; em casos de rebordo alveolar atrofiado; irritação crônica superficial possivelmente devido à pressão do forame mentoniano; rebordo em lâmina de faca; após radiação terapêutica dissipando as forças oclusais, entre outras. Assim, é objetivo deste estudo analisar por meio do método de elementos finitos tridimensional a distribuição de tensões aplicadas na prótese removível total reembasada com forradores macios em diferentes espessuras e consequente transmissão a mucosa e ao rebordo, definindo a espessura ideal de material reembasador. Os corpos-de-prova constituirão-se em modelos projetados de mandíbula desdentada com uma prótese total apoiada sobre o rebordo. São 6 modelos: modelo 1: prótese removível total apoiada diretamente sobre o rebordo sem material reembasador (caso controle); modelo 2: prótese removível total reembasada com 0,5mm de espessura de material reembasador apoiada sobre o rebordo; modelo 3: prótese removível total reembasada com 1mm de espessura de material reembasador apoiada sobre o rebordo; modelo 4: prótese removível total reembasada com 1,5mm de espessura de material reembasador apoiada sobre o rebordo; modelo 5: prótese removível total reembasada com 2,0mm de espessura de material reembasador apoiada sobre o rebordo; modelo 6: prótese removível total reembasada com 2,5mm de espessura de material reembasador apoiada sobre o rebordo. Uma força de 60N foi aplicada ao longo eixo dos dentes das próteses, sendo de mesma intensidade bilateralmente e simultaneamente. Após a execução dos teste e análise dos resultados verifica-se que a adição de apenas 0,5 mm de material reembasador (modelo 2), diminuiu em 10% o pico de tensão, ocorrendo diminuições menores com o aumento gradual da espessura de material reembasador. Dentro das características do presente trabalho, a diminuição dos picos são menores do que 1% entre os modelos 4 e 5, sugerindo que para mandíbulas com boa adaptação da prótese, superfície óssea lisa, sem espículas, nichos dentários ou outros fatores semelhantes, não é significativo uma espessura maior do que 1,5 mm de material reembasador . Um resultado que sai desse padrão se refere ao modelos 5 e 6, onde o aumento de 2 para 2,5 mm de espessura do material reembasador promoveu um aumento nos picos de tensão. Diante das características in vitro deste estudo conclui-se que uma espessura de 2mm de material reembasador é o suficiente para amortecer as forças mastigatórias. No presente estudo, espessura maior que 2mm promoveu tensões à mucosa e ao rebordo. / The soft or resilient materials for relining denture base are used in clinical dentistry in order to provide greater comfort and chewing efficiency of patients which use removable dentures for total and specific situations as they does not tolerate a removable prosthesis with total conventional rigid base. Currently it is widely used in transitional dentures, to minimize the pressures on implants in process of osseointegration, while providing no traumatic injuries and conditioning tissue during the postoperative period, in cases of atrophic alveolar ridge; superficial chronic irritation possibly due to pressure from the mental foramen, edging knife blade, and after radiation therapy dissipating occlusal forces. The aim of this study is to analyze through the three-dimensional finite element stress distribution applied in full removable denture rebased with soft liners in different thicknesses and consequent transmission to the mucosa and the edge, setting the ideal thickness of relining. The samples used in test form in models designed for edentulous mandible with a denture resting on the edge. There are 6 models: Model 1: Full removable denture supported directly on the alveolar ridge without relining (case control), Model 2: Full removable denture rebased with 0.5 mm thick relining resting on the alveolar ridge; Model 3: total removable prosthesis rebased with 1mm thickness relining resting on the alveolar ridge; Model 4: Full removable denture rebased with 1.5 mm thick relining resting on the alveolar ridge; Model 5: Full removable denture rebased with 2.0 mm thick relining resting on the alveolar ridge; Model 6: Full removable denture rebased with 2.5 mm thick supported on relining the alveolar ridge. A force of 60N was applied to the long axis of the tooth prosthesis, with the same intensity bilaterally and simultaneously. After execution of test and analysis of results shows that the addition of only 0.5 mm relining (model 2), down 10% peak tension, smaller decreases occurred with the gradual increase of the thickness of relining. Among the features of the present study, the decrease of the peaks are less than 1% between sections 4 and 5, suggesting that mandibles with good adaptation to the prosthesis, bone surface smooth, without spines, teeth or niches other similar factors, it is not a significant thickness greater than 1.5 mm relining. A result that comes out of this pattern refers to models 5 and 6, where the increase of 2 to 2.5 mm thick relining promoted an increase in spikes. The features of this in vitro study concluded that a thickness of 2mm relining is enough to absorb chewing forces. In this study, thickness greater than 2mm must transfer tension to the mucosa and alveolar ridge.

O Brasil é um país que se destaca na agricultura, devido aos investimentos realizados em pesquisas e tecnologia na produção agrícola. Com o avanço tecnológico na agricultura, a produção rural busca encontrar melhorias no armazenamento de grãos, sendo a aeração o principal processo empregado. A aeração consiste na passagem forçada do ar ambiente pela massa de grãos, feita através de ventiladores ou exaustores, acoplados a um sistema de ventilação na parte inferior dos armazéns. Com isso, a aeração modifica o microclima da massa de grãos, propiciando condições desfavoráveis ao crescimento de organismos prejudiciais ao grão. Para que o sistema de aeração seja adequado, o processo deve ser controlado, mantendo a uniformidade do fluxo de ar em todas as regiões do armazém, quando não controlados, pode ocasionar secagem excessiva em uma parte da massa de grãos e aeração ineficiente em outros domínios. Esta pesquisa propõe aprofundar o estudo sobre modelagem matemática e a simulação tridimensional de armazéns graneleiros com aeração, considerando a anisotropia e a não uniformidade da massa das sementes, visando desenvolver um modelo que busca um sistema de aeração eficaz. A avaliação do desempenho da aeração envolveu uma análise da distribuição de pressão estática de um armazém graneleiro com aeração central e lateral. Com a simulação detectou-se áreas de risco operacional do sistema de armazenamento investigado, com a necessidade de implementação de um sistema de aeração mais amplo. Para validar os resultados obtidos foram realizadas as medições de pressão estática em vários pontos de um sistema real de armazenagem. Realizando as comparações entre os resultados simulados e experimentais e analisando o coeficiente de determinação, foi atingida a validação do modelo matemático permitindo que o modelo seja aplicado para otimizar o desempenho de armazéns graneleiros, reduzindo os custos da engenharia de novos depósitos de grão. / 83 f.

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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.