Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

O espalhamento de ondas de som tem por objetivo compreender a natureza de propagacao de ondas sonoras incidentes e espalhadas, para diferentes estruturas e geometrias dos centros espalha- dores que formam um meio desordenado. Na literatura, em geral, obtemos informacoes relativas ao espalhamento acustico em regioes distantes dos centros espalhadores (aproximacao de campo distante), para algumas formas de onda incidentes e de particulas espalhadoras. Buscando compre- ender o comportamento ondulatorio em regioes proximas ao centro espalhador e em seu interior, nosso estudo fornece uma descricao analitica dos campos de radiacao acustica nessas regioes. Ini- cialmente, considera-se o problema do espalhamento de uma onda plana acustica plana (viajando num fluido ideal newtoniano) por uma particula esferica fluida, com caracteristicas distintas das do fluido inicial. Ainda, calculamos a energia interna armazenada nesse centro espalhador como funcao do volume da esfera espalhadora, bem como do comprimento da onda em seu interior, de sua amplitude e da densidade do centro espalhador. Posteriormente, os materiais espalhadores sao considerados de natureza viscoelastica (que apresentam comportamentos viscosos e elasticos sob a acao de forcas externas), por serem viaveis na modelagem de celulas biologicas e polimeros, em geral. Para isso, tratamos formalmente da fisica de materiais elasticos, como deformacoes e tensoes, a fim de respaldar o tratamento do modelo viscoelastico de Kelvin-Voigt fracionario usado em nosso estudo. Obtivemos formulas fechadas para os coeficientes de espalhamento (bem como os coeficientes das ondas internas ao centro espalhador) desse problema em questao, a partir da solucao de um sistema linear de equacoes. Os resultados permitem a construcao de uma teoria de base para um estudo generalizado do espalhamento de ondas acusticas por materiais viscoelasticos, perspectiva a ser conduzida num futuro proximo. / The sound wave scattering aims to understand the propagation nature of scattered and incident sound waves, for different structures and geometries of the scattering centers that form a disordered environment. In the literature, in general, we obtain information regarding the acoustic scattering in regions distant from the scattering centers (far-field approximation), for some incident wave- forms and scattering particles. In order to understand the undulatory behavior in regions close to and within the scattering center, our study provides an analytical description of the acoustic radiation fields in these regions. First, the problem considered is the scattering of an acoustic plane wave (previously traveling through an ideal newtonian fluid) by a spherical fluid particle, with distinct acoustic characteristics from the initial fluid. Still, it is determined the internal acoustic energy stored in this scattering center, as a function of the scattering spheres volume, as well as the wavelength in its interior, its amplitude and the density of the scattering center. Later, the scattering materials are considered to be viscoelastic (which exhibit viscous and elas- tic behavior when subjected to external forces), as they are feasible in the modeling of biological cells and polymers in general. For such, we deal formally with elastic materials physics, such as deformations and tensions, in order to deal with the Kelvin-Voigt viscoelastic model used in this problem. Were determined closed formulas for the scattering coefficients for this problem (as well as the internal wave coefficients), from the solution of a linear system of equations. The results allow the construction of a fundamental theory for a generalized study of sound wave scattering by viscoelastic materials, which is a goal to be achieved in a near future.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-04-04T10:35:10Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Guilherme de Oliveira Andrade - 2017.pdf: 3342486 bytes, checksum: f35bb27c1451d7b8969dbf1fe3332a30 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-04-04T10:35:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Guilherme de Oliveira Andrade - 2017.pdf: 3342486 bytes, checksum: f35bb27c1451d7b8969dbf1fe3332a30 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-04T10:35:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Guilherme de Oliveira Andrade - 2017.pdf: 3342486 bytes, checksum: f35bb27c1451d7b8969dbf1fe3332a30 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-03-10 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / In order to attenuate unwanted vibrations, coming from mechanical systems, are increasing research in developing efficient products in the vibrant energy dissipation, being carried out in this line, full characterization of viscoelastic materials for the identification of its main phenomena and effectiveness check, reliability and security. The non-linear behavior of viscoelastic materials, when subjected to cyclic loading, is due to their microstructural characteristics, where it is possible that an effective vibration attenuation occurs. However, the complexity of the proposed problem suggests the implementation of numerical-computational procedures, the So that the deformation rates can be evaluated through harmonic analysis, so that the temperature variations can be defined and the phenomena associated with the material can be analyzed. With this, based on the dissipative characteristics of the material, the present work aims at the application of the same in the automotive area, being applied on the vehicular structure of utility vehicles aiming at the attenuation of the vibrations that arrive to the passenger compartment. To prove the efficacy of the material, the structural modeling of the viscoelastic was carried out in a computer environment (MatLab®) and then the material was inserted into the vehicle structure in the finite element software (Ansys®), where the structural and modal harmonic analysis , Thus verifying attenuations of the order of 8.746% for the second vibrating mode of the structure. However, due to the safety involved in automotive projects, it was necessary to analyze the computational effectiveness of these materials on the wide range of operational and environmental factors in which utility vehicles are submitted, thus guaranteeing the necessary reliability to the project. / Com o objetivo de atenuar as vibrações indesejadas, oriundas de sistemas mecânicos, são crescentes as pesquisas nas áreas de desenvolvimento de produtos eficientes na dissipação de energia vibrante, sendo realizados nesta linha, a caracterização completa de materiais viscoelásticos visando a identificação de seus principais fenômenos e verificação de eficácia, confiabilidade e segurança. O comportamento não-linear de materiais viscoelásticos, quando submetido a carregamentos cíclicos, é devido a suas características microestruturais, onde é possível que ocorra uma eficaz atenuação de vibrações. Entretanto, a complexidade do problema proposto sugere a implementação de procedimentos numérico-computacionais, a fim de que se avalie as taxas de deformações através de analises harmônicas, para que desta forma possam ser definidos as variações de temperaturas e analisados os fenômenos associados ao material. Com isso, tendo como base as características dissipativas do material, o presente trabalho visa a aplicação do mesmo na área automotiva, sendo aplicado sobre a estrutura veicular de automóveis utilitários objetivando a atenuação das vibrações que chegam até o habitáculo. Para comprovação da eficácia do material, primeiramente foi realizada a modelagem estrutural do viscoelástico em ambiente computacional (MatLab®) e em seguida realizada a inserção do material na estrutura veicular no software de elementos finitos (Ansys®), onde foram realizadas a análise harmônica estrutural e modal, verificando assim atenuações da ordem de 8,746 % para o segundo modo de vibrar da estrutura. Porém, vale ressaltar, que devido a segurança envolvida em projetos automotivos, foi necessário que se analisasse computacionalmente a eficácia destes materiais sobre a ampla faixa de fatores operacionais e ambientais na qual veículos utilitários estão submetidos, garantindo assim a confiabilidade necessária ao projeto.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-10-16T10:52:39Z No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-10-16T14:32:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-16T14:32:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) Previous issue date: 2018-09-05 / Sistemas passivos de controle para a atenuação de vibrações em estruturas apresentam grande diversidade de concepções, pois resultam de projetos criativos voltados para cada problema específico. Em geral, são mecanicamente robustos e se mostram como alternativas mais eficientes, sob o ponto de vista dinâmico estrutural, do que as técnicas usuais e conservadoras de enrijecimento da estrutura. Dentre estes sistemas, podem-se destacar aqueles que utilizam materiais viscoelásticos (MVE) como núcleo amortecedor, como por exemplo os sistemas tipo sanduíche. Estes materiais têm propriedades mecânicas dependentes da temperatura e, principalmente, da frequência de vibração, trazendo dificuldades adicionais às já complexas formulações teóricas do problema. Neste trabalho, as formulações usadas para modelar sistemas sanduíches viscoelásticos GHM (Golla-Hughes-MacTavish); ADF (Anelastic Displacement Field); e DF (Derivadas de Ordem Fracionária) são tomadas como base para as simulações computacionais analisadas. Partindo de experimentos de caracterização de materiais desenvolvidos, as formulações supracitadas foram adotadas para estimar o comportamento dinâmico de estruturas sanduíche. Por fim, estratégias voltadas para o projeto de estruturas sanduíches com MVE são propostas, baseadas no desempenho de cada uma das formulações avaliadas no que se refere às suas respectivas capacidades de simular os experimentos realizados. / Passive control systems for vibration control in structures demonstrate a wide variety of conceptions, as they are results of creative projects focused on specific problems. Usually, they are robust mechanisms and are shown as more efficient alternatives than ordinary and conservative techniques of structural stiffening. Among these systems, it is possible to highlight the ones that use viscoelastic materials (VEM) as damping core, such as sandwich systems. These materials have mechanical properties depending on temperature and, mainly, on the vibration frequency, introducing additional difficulties to the already complex theoretical formulations of the problem. In this work, formulations used to model viscoelastic sandwich systems, such as GHM (Golla-Hughes-MacTavish); ADF (Anelastic Displacement Field); and DF (Fractional Order Derivatives) are taken as basis for the computational simulations considered. Based on the experimental characterization of the VEM’s, the formulations previously mentioned were used to estimate the dynamic behavior of sandwich structures. Finally, strategies aimed at design of sandwich VEM structures are indicated, based on the performance of each of the evaluated formulations, regarding to their ability to simulate the experiments performed.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:19:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OLIVEIRA_Robson_2013.pdf: 4428066 bytes, checksum: aefeb43146df9afeba619c532fb8d2f6 (MD5) Previous issue date: 2013-09-13 / Composite technology of a polymer matrix reinforced with artificial fibers, like fiberglass, Kevlar, carbon, etc., has become specialty in recent times moved by advances in technology in some sectors such as automotive and aerospace. The composites already have come a long way in replacing conventional materials like metals and Woods. However with the goal to reduce costs and provide a sustainable growth, science has directed his attention in reinforced compounds with renewable material such as natural fibers. In this work, a study was conducted of the dynamic behavior-mechanical and thermodynamic transitions of second order, as is the case of the glass transition temperature, matrix composite polyurethane elastomers with jute fiber reinforcement. The relaxation that occurs in glassy transition region, also called primary relaxation or relaxation α to amorphous polymers, molecular movements resulting from long distances, involving the main polymer chain segments. The matrix was formed by a MDI-BDO system provided by the company Metso Brazil, PU Division. Metso Brazil manufactures PU screens used in crushing sieves in the mining industry, and this work studied replacing the pure PU fiber by composite reinforced with jute. The material was prepared in an open heated to 100º C with controlled temperature, the system was synthesized in a mixer pre-polymer ratio automatic PU of Baulé on following conditions: MDI, 45º C to 9.5 bar; BDO, 45 C 5.7 bar and D20, 69 C a11 .2 bar. For the characterization of mechanical properties of composite dynamic-mechanical analysis was performed in tension in a temperature range of 35 to 160° C and bending creep. The results showed that the composite had formed showed lower creep deformation in bending test compared to pure polyurethane, but higher strain compared to the composite fiberglass. The flexural modulus (E ') of jute fiber composite showed a higher value at higher temperatures than the unreinforced material. The composi / A tecnologia de compósitos de uma matriz polimérica reforçada com fibras artificiais, com fibra de vidro, Kevlar, carbono, etc., tornou-se de grande interesse nos últimos tempos com os avanços da tecnologia em alguns setores como automobilístico e aeroespacial. Os compósitos já percorreram um longo caminho na substituição dos materiais convencionais como metais e madeiras, no entanto com o objetivo de reduzir custos e proporcionar um crescimento sustentável, a ciência tem direcionado sua atenção em compostos reforçados com material de fontes renováveis como as fibras naturais. No presente trabalho, foi realizado um estudo do comportamento dinâmico-mecânico e transições termodinâmicas de segunda ordem, como é o caso da transição vítrea, em compósito de matriz poliuretana elastomérica com reforço de fibra de juta. A matriz foi formada por um sistema MDI/BDO (reação entre um diisocianato de 4-4'-difenilmetano (MDI) e o 1,4-butanodiol (BDO), fornecida pela empresa Metso Brasil, divisão PU. A Metso Brasil fabrica telas de PU usadas em peneiras de britagem na indústria de mineração, sendo que o presente trabalho estudou a substituição do PU puro pelo compósito com fibra de juta. O material foi vazado em molde aberto na empresa em mesa aquecida a 100ºC com temperatura controlada. O sistema prepolímero foi sintetizado em um misturador automático de PU da Baulé nas seguintes condições: MDI 45ºC a 9,5 bar; BDO, 45ºC a 5,7 bar e D20, 69ºC a11,2 bar. Para a caracterização das propriedades mecânicas desse compósito foi realizada análise dinâmico-mecânica (DMA) em ensaios de tensão no intervalo de temperatura de 35 a 160 ºC. Os principais resultados mostraram que o compósito formado apresentou menor deformação de fluência em ensaio de flexão em relação ao poliuretano puro, porém maior deformação quando comparado com o compósito com fibra de vidro. O módulo flexural (E ) do compósito de fibra de juta apresentou um maior valor em temperaturas mais elevadas que o do material sem reforço. O compósito de fibra de juta foi solicitado no modo de tração e teve um comportamento de material menos dúctil.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This work is dedicated to the development of a strategy for numerical-computational modeling and experimental verification of the self-heating phenomenon in viscoelastic materials with emphasis on the thermal runaway phenomenon taking into account the combined effects of dynamic loads and static preloads. The methodology of modeling by finite element allows us to consider the influence of frequency, temperature and static preload on the self-heating phenomenon of the linear viscoelastic materials. For this purpose, modifications are made that allow thermomechanical analysis of more complex viscoelastic structures, in addition the evaluation of introducing metal inserts in bulk material for reducing effects of self-heating. The validation of the proposed model and the identification of the physical parameters of thermal efficiency and heat transfer by natural convection, initially unknown, are obtained by comparison of the results of numerical simulations with the corresponding obtained through experimental tests for a specimen formed by a translational viscoelastic joint. The curve-fitting procedure is formulated as an inverse optimization problem through use of the Firefly Algorithm for minimizing the objective function defined as the square difference between the temperatures obtained from the simulations and the corresponding generated by the tests for each time instant. The accuracy and limitations of the model are evaluated by comparing the experimental and simulated temperature profile, allowing to verify the numerical evidence and the qualitative consistence of the results obtained with reported in the literature for the thermal runaway phenomenon for simple devices without effect preload. / Este trabalho é dedicado ao desenvolvimento de uma estratégia de modelagem numéricocomputacional e verificação experimental do fenômeno do autoaquecimento de materiais viscoelásticos com ênfase no fenômeno da fuga térmica levando-se em conta os efeitos combinados de cargas dinâmicas e pré-cargas estáticas. A metodologia de modelagem por elementos finitos permite considerar a influência da frequência, da temperatura e da pré-carga estática no fenômeno do autoaquecimento de materiais viscoelástico lineares. Para tanto, são feitas modificações que permitem a análise termomecânica de estruturas viscoelásticas mais complexas, além da avaliação da introdução de insertos metálicos no volume do material para a redução dos efeitos do autoaquecimento. A validação do modelo proposto e a identificação dos parâmetros físicos de rendimento térmico e de transferência de calor por convecção natural incialmente desconhecidos, são obtidos através da confrontação dos resultados das simulações numéricas com os correspondentes obtidos via ensaios experimentais para um corpo de prova formado por uma junta viscoelástica translacional. O procedimento de ajuste de curvas é formulado como um problema inverso de otimização via emprego da técnica Colônia de Vagalumes para a minimização da função objetivo definida como sendo a diferença quadrática entre as temperaturas obtidas das simulações e as correspondentes geradas pelos ensaios para cada instante de tempo. A precisão e as limitações do modelo são avaliadas pela comparação dos perfis simulados e experimentais de temperatura, possibilitando confirmar as evidências numéricas e a consistência qualitativa dos resultados obtidos com o reportado na literatura para o fenômeno da fuga térmica para dispositivos mais simples e sem o efeito da pré-carga. / Mestre em Engenharia Mecânica