Orientador: Alfredo Rocha de Faria / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T21:18:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Aguado_ClodoaldoGarcia_M.pdf: 53529976 bytes, checksum: c01081cee3de72ee7fd5c2ac1f9d0612 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: As simulações dentro do ambiente de projeto devem prever a utilização de novas variáveis, especialmente de processos, de forma a aumentar a proximidade entre os modelos virtual e real e, com isso, aumentar a precisão das simulações. O objetivo deste trabalho foi o de estudar um modelo pelo Método dos Elementos Finitos que incluísse os efeitos da variação de espessura provenientes do processo de estampagem para a análise de vida em fadiga de um componente do sistema de exaustão automotivo. Primeiramente foi realizada a simulação do processo de estampagem, onde foi possível identificar as mudanças de espessura na geometria do componente estudado. O resultado dessa simulação foi transportado para a malha de elementos finitos, de forma que as análises posteriores, estrutural e de fadiga, considerassem os efeitos da redução e aumento da espessura local. Como base de comparação, as mesmas análises foram realizadas para a condição de espessura constante, tradicionalmente adotada durante a fase de projeto. Utilizando o modelo de Wöhler-Goodman-Miner para o cálculo do Dano acumulado e comparando com dados experimentais aquisitados em simulador veicular, os resultados cálculo de fadiga demonstraram que ambas as condições de espessura atingem vida infinita. Entretanto, após a seleção e análise de algumas regiões consideradas críticas nas simulações precedentes (estampagem e estrutural), pôde-se notar que na maior parte das regiões os valores de dano acumulado eram inferiores para a condição de espessura constante. Já a condição de espessura variável se aproximou mais ao resultado medido. Pôde-se concluir com os resultados que a variação de espessura, como efeito do processo de estampagem, desempenha um papel importante na vida do componente estudado, indicando que a utilização dos dados de processo auxilia na aproximação entre os resultados do cálculo de vida e a condição real / Abstract: The simulations within the Product Development environment must give the chance to use new variables, particularly from processes, in order to improve the correlation between the virtual and real models, and thus enhance the accuracy of the simulations. The objective of this work was to study a model by the finite element method (FEM) that includes the effects of thickness variation from stamping process for the fatigue life prediction in an automotive exhaust system component. Firstly it was carried out a simulation of the stamping process, where it was possible to identify the thickness distribution all along the geometry of selected component. Then, the result of this simulation was transported to the finite element mesh, so that further analyses, structural and fatigue, could consider the effects of reduction and increasing in local thickness. As a basis for comparison, the same analyses were performed for the homogeneous geometry (uniform thickness), which are typically taken during the design phase. Using the model proposed by Wöhler-Goodman-Miner to calculate the accumulated damage and comparing with real data acquisited from a vehicle, the calculation results of fatigue showed that both conditions (equal and unequal thickness) reached infinite life. However, after the selection and analysis of some critical regions in the previous simulations (stamping and structural), it might be noted that, in most regions, the values of accumulated damage were lower for the uniform thickness condition. Besides, for the unequal thickness condition, the results got closer to those measured in vehicle. With these results, it could be demonstrated that the unequal thickness, as a process variable, plays an important role in the component life, indicating that the use of process data helps in bringing together the results from fatigue calculation and real condition / Mestrado / Manufatura / Mestre em Engenharia Automobilistica

Orientador : Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-01T19:39:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giordani_EnricoJose_D.pdf: 32895725 bytes, checksum: 0c97b681bb94f24e4f73bfaa31b4f07c (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Atualmente ocorre um número considerável de falhas de implantes ortopédicos, temporários e permanentes, fabricados com o aço inoxidável austenítico ASTM F 138, o material metálico mais utilizado na fabricação de implantes ortopédicos. O aço inoxidável austenítico ISO 5832-9 vem também sendo utilizado na fabricação de implantes, há alguns anos, como substituto do aço ASTM F 138, sem uma base sólida de pesquisa sobre o seu desempenho. Este trabalho tem por objetivos caracterizar e analisar a microestrutura, as propriedades mecânicas básicas (tração e dureza), a resistência à corrosão localizada e as propriedades de fadiga em meios neutro e meio fisiológico artificial (solução aquosa de NaCl a 0,9%), além de estudar os mecanismos de nucleação de trincas por fadiga, em meio neutro e fisiológico artificial, de dois aços inoxidáveis austeníticos utilizados na fabricação de implantes ortopédicos, ASTM F 138 e ISO 5832-9, na condição solubilizados. Assim, este estudo é uma das bases da análise da substituição do aço ASTM F 138 pelo ISO 5832-9. A análise microestrutural revelou que a presença de partículas de precipitados, caracterizados como fase Z (NbCrN), é responsável por uma redução acentuada no tamanho médio de grão austenítico do aço ISO 5832-9 (diâmetro médio R: 15_m) quando comparado com o aço ASTM F 138 (diâmetro médio R: 60_m). Atribuise principalmente ao refino de grão e à presença do nitrogênio em solução sólida os altos níveis de resistência mecânica do aço ISO 5832-9 (ae R: 500 MPa e at R: 860 MPa) quando comparado com o aço ASTM F 138 (ae R: 250 MPa e at R: 590 MPa). Os ensaios de suscetibilidade à corrosão localizada, em solução aquosa de NaC1 a 0,9%, revelaram que o nitrogênio em solução sólida também confere um melhor desempenho ao aço ISO 5832-9 quando comparado com o aço ASTM F 138. Apesar da combinação de melhor resistência mecânica e melhor resistência à corrosão, os ensaios de fadiga, para altos níveis de tensão, revelaram que a presença do meio fisiológico artificial tem maior influência sobre a vida em fadiga do aço ISO 5832-9 quando comparado com o aço ASTM F 138. Entretanto, o estudo dos mecanismos de nucleação de trincas por fadiga e fadiga-corrosão mostrou que essa maior influência se deve ao estabelecimento de condições favoráveis à corrosão em frestas no interior de descontinuidades geométricas formadas a partir da ruptura de grande parte das partículas de precipitados da fase Z, logo no primeiro ciclo de carregamento sob condições de deformação plástica. Desta forma, se o material não experimentar deformações plásticas a frio e assim a integridade dos precipitados for mantida, a combinação de melhores resistência mecânica e resistência à corrosão sugere que o aço ISO 5832-9 é um material muito promissor para a fabricação de implantes ortopédicos, principalmente para aplicações mais severas envolvendo tempos mais longos e altos níveis de solicitação / Abstract: The ASTM F 138 stainless steel is current1y the most used material to produce orthopedic implants and a considerable nurnber of failure of temporary or perrnanent orthopedic implants occurs. Since some years the austenitic ISO 5832-9 stainless steel is also being used in implants fabrication as a replacement to the ASTM F 138 without a consistent research ofits perforrnance. The objectives of the this work were to characterize and analyze the rnicrostructure, the basic mechanical properties (tensile and hardness), the localized corrosion resistance, and fatigue properties in neutral and artificial physiological solution of the ASTM F 138 and ISO 5832-9 stainless steels under solubilised conditions, tOOt are being used as orthopedic implant materiaIs. Moreover a study of the fatigue and corrosion fatigue crack nucleation mechanisms of these materials are cared out. Thereby, this study is one of the bases to analyze the replacement of ASTM F 138 by ISO 5832-9 in orthopedic applications. Microstructural analysis revealed that the presence of particles of precipitates, characterized as Z-phase (NbCrN), is responsible for considerable austenitic grain refinement of ISO 5832-9 steel (average diameter _ 15 11m) when compared to ASTM F 138 steel (average diarneter _ 60 j..lm). The high levels of strength of ISO 5832-9 steel (Sy _ 500 MPa e Su _ 860 MPa) when compared to ASTM F 138 steel (Sy _ 250 MPa e Su _ 590 MPa) are main1y attributed to grain refinement and nitrogen presence in solid solution in ISO 5832-9 steel. The localized corrosion tests in 0.9% NaCI aqueous solution revealed tOOt the nitrogen in solid solutions also confers the better perforrnance of ISO 5832-9 steel when compared to ASTM F 138 steel. Despite the combination ofbetter strength and better corrosion resistance, the fatigue tests to high stress levels revealed tOOt the presence of artificial aggressive environrnent has stronger influence on the fatigue life of ISO 5832-9 then on the ASTM F 138 steel. However, the fatigue and corrosion fatigue crack nucleations studies showed tOOt the greater influence due to establishrnent of favorable conditions to crevice corrosion within the geometrical discontinuities forrned from rupture of many particles of Z-phase precipitates still in first cycle of stress under conditions of plastic deforrnation. In this way, if the material does not undergoes cold plastic deforrnation and so the integrity of precipitates was maintained, the combination of better strength and better corrosion resistance suggests tOOt the ISO 5832-9 steeJ is a very prornising material to orthopedic implants producing, main1y in more severe applications involving longer times em higher stress levels / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Guilherme Elias Pessanha Henriques / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de Piracicaba / Made available in DSpace on 2018-07-25T08:20:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zavanelli_RicardoAlexandre_M.pdf: 5267255 bytes, checksum: 6668bbd1a4fe3d55e1241b830baee2a7 (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: A fadiga é responsável por 90% das falhas de infra-estruturas metálicas em serviço. Esse fenômeno está intimamente relacionado às alterações superficiais e ocorre devido à aplicação de esforços cíclicos. As PPRs sofrem fadiga devido às constantes inserções e remoções e durante o próprio ato mastigatório. Devido a propriedades como biocompatibilidade e resistência mecânica, tem-se introduzido o uso do titânio e suas ligas na confecção de coroas e próteses, sendo consideradas susceptíveis de alterações superficiais devido ao uso de soluções fluoretadas. O propósito deste estudo foi avaliar, comparar e analisar a vida em fadiga do titânio comercialmente puro e da liga Ti-6Al-4V em diferentes meios de armazenagem (sem a presença de meios; em saliva artificial; e, em saliva artificial fluoretada). Foram confeccionadas trinta amostras para cada um dos materiais, com geometria semelhante a um halteres e 2,3 mm de diâmetro na porção central, obtidas por fundição odontológica, em máquina de fundição Rematitan (Rematitan - Dentaurum J.P. Winkelstroeter KG- Pforzhein - Alemanha). O ensaio de resistência à fadiga foi conduzido numa máquina de ensaios universal (MTS - Materials Testing System, Test Star II), com carga 30% abaixo e calculada a partir do limite de escoamento a 0,2% de deformação. Após a fratura, o número de ciclos foi registrado e a superfície de fratura analisada sob microscopia eletrônica de varredura (M.E.V.). Os resultados indicaram que a liga Ti-6Al-4V obteve 21,269.50 ciclos, contra 19,157.60 ciclos para o Ti c.p., e na presença das soluções esse número diminuiu drasticamente, sugerindo provável reação dos meios com os metais. Com base nos resultados obtidos, verificamos que: A liga Ti-6Al-4V obteve os maiores valores médios de resistência à fadiga, porém sem diferença estatisticamente significante em relação ao titânio puro, independente da presença dos meios de armazenagem. A presença das soluções de armazenagem diminuiu a resistência à fadiga para ambos materiais, com diferença estatisticamente significante em relação às amostras ensaiadas sem a presença dos meios. A solução de saliva artificial fluoretada pareceu mais agressiva. Entretanto, não houve diferença estatística em relação à solução de saliva artificial / Abstract: The fatigue is responsible for 90% of metallic component failures during service. This phenomenon is closely related to superficial alteration and it occurs during cyclic stress application. Removable partial dentures (RPDs) are affected by fatigue due to cyclic mechanism of the masticatory system and the frequent insertion and removal. Because of unique and favorable properties, titanium and its alloys have been used in manufacturing crowns and bridges. However, it has been shown that preventive agents with fluoride probably affect titanium alloy surfaces. The aim of this study was to evaluate compare and analise the fatigue life of commercially pure titanium and Ti-6Al-4V alloy in different media (without media, artificial saliva and fluoride artificial saliva). For each alloy, thrirty dumb-bell rods 2.3 mm in diameter were.cast in Rematitan-System (Rematitan-Dentaurum IP. Winkelstroeter KG-Germany). The fatigue strength test was carried out with an universal testing machine (MTS- Materials Testing System - Test Star II), using a load 30 % lower than the calculated yield strength at a 0.2% offset. After failure, the number of cycles were recorded and the fracture surfaces were examined with a scanning electron microscope (S.E.M.). The mean values indicated that Ti-6Al-4V alloy achieved 21,269.50 cycles against 19,151.60 cycles for the c.p. titanium, and, when the solutions were present, the number of cycles was drastically reduced, probably due to pits caused by superficial reactions, as showed in S.E.M. analyses. It was observed that: Ti-6Al-4V alloy had the highest mean values of fatigue strenght, however, there were no siglificant differences as regards c.p. titanium. free-standing the presence or absence of media; the solutions reduced fatigue strength for both alloys, with statistically significant differences to specimens tested without the solutions; the fluoride solution was the most harmful agent, but there were no significant differences between fluoride solution and artificial saliva / Mestrado / Protese Dental / Mestre em Clínica Odontológica

Orientador: Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T17:14:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Queiroz_SymeReginaSouza_D.pdf: 5101982 bytes, checksum: 1143c4b43c52ed713ed719367ce07ead (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A tendência mundial das estradas de ferro é utilizar carga elevada por vagão no transporte de produtos e alta velocidade no setor de passageiros. Em ambas as situações, as rodas ferroviárias são muito solicitadas mecanicamente e, em função disso, as propriedades mecânicas dessas rodas devem ser rigorosamente controladas, tendo em vista que as principais causas de acidentes envolvendo trincas nas rodas, ou a retirada da roda antes do final de sua vida, estão direta ou indiretamente associadas a baixos níveis de resistência mecânica, resistência à fadiga e tenacidade à fratura. O conhecimento do comportamento mecânico das rodas ferroviárias com base nas suas propriedades mecânicas é imprescindível para o projeto de rodas ferroviárias e para o aprimoramento de seu processo de fabricação. Este trabalho tem como objetivo caracterizar e analisar a microestrutura, as propriedades mecânicas e os micromecanismos de fratura de cinco rodas ferroviárias, duas fundidas e três forjadas, a partir de corpos-de-prova usinados dos aros e discos dessas rodas. As propriedades mecânicas analisadas são as básicas (limite de escoamento, limite de resistência à tração, alongamento específico até à fratura, redução de área, dureza e energia de impacto Charpy), a resistência à fadiga e a tenacidade à fratura, de corpos-de-prova usinados das rodas ferroviárias. Além das microestruturas e das propriedades mecânicas, foram também caracterizados e analisados os micromecanismos de fratura dos corpos-de-prova dos ensaios de fadiga e impacto, por meio de microscopia eletrônica de varredura. Os resultados dos ensaios indicam, em relação aos limites de escoamento e de resistência à tração, que não houve diferenças significativas entre as rodas fundidas e forjadas analisadas. Quanto à dureza (HRC), ductilidade (alongamento específico e redução de área) e tenacidade à fratura, as rodas forjadas apresentaram valores superiores. Em relação à resistência à fadiga, uma propriedade importante no caso de rodas ferroviárias, os corpos-de-prova usinados das rodas forjadas apresentaram melhores resultados em relação às rodas fundidas. Pode-se também concluir que, tanto para as propriedades mecânicas básicas e nobres como também para os micromecanismos de fratura, os resultados obtidos são compatíveis aos encontrados na literatura especializada, validando e comprovando que a metodologia de análise pode ser utilizada para melhorar os projetos e os processos de fabricação de rodas ferroviárias de aço fundidas e forjadas / Abstract: The word wide tendency of railroads is to use high load per wagon in cargo transport and high-speed in passenger sector. In both situations, the railway wheels are very mechanically requered, and as a result, the mechanical properties of these wheels should be controlled strictly in order that the main causes of accidents involving wheels cracks, or withdrawal of the wheel before end of its life, are directly or indirectly associated with low levels of strength, fatigue resistance and fracture toughness. Knowledge of the mechanical behavior of railway wheels based on their mechanical properties is essential for the design of railway wheels and the improvement of its manufacturing process. This work aims to characterize and analyze the microstructure, mechanical properties and fracture micromechanisms of five railway wheels, two cast and three forged, from the machined specimens of the rim and web of these wheels. The analyzed mechanical properties are the basics (yield strength, tensile strength, elongation, reduction in area, hardness and Charpy impact energy) the fatigue resistance and the fracture toughness, from the specimens machined of railway wheels. In addition to the microstructures and mechanical properties were characterized and analyzed the micromechanisms of fracture of the specimens of fatigue and impact tests, using scanning electron microscopy. The test results indicate, with respect to the yield strength and tensile strength, there were no significant differences between cast and forged wheels analyzed. The hardness (HRC), ductility (elongation and reduction in area) and fracture toughness of the forged wheels showed higher values. Regarding resistance to fatigue, an important property in the case of railway wheels, the forged wheels machined specimens shown better results compared to cast wheels. One can also conclude that, for both the basic and noble mechanical properties as well as for the micromechanisms of fracture, the results are compatible with those found in the literature, validating and verifying that the method of analysis can be used to improve the castings and forgings steel railway wheels and manufacturing processes and projects / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutora em Engenharia Mecânica

Uma parte significativa da vida de um componente mecânico pode ocorrer com a propagação de trincas em fadiga. Atualmente, dispõe-se de vários modelos matemáticos para descrever o comportamento do crescimento da trinca. Esses modelos são classificados em duas categorias em termos da amplitude de tensão: constante (CAC) e variável (CAV). Em geral, esses modelos de propagação são formulados como um problema de valor inicial (PVI) e, a partir disso, a curva de evolução da trinca é obtida através da aplicação de um método numérico. Nesta dissertação apresentou-se a aplicação da metodologia “Fast Bounds Crack” para o estabelecimento das funções cotas superior e inferior para modelos de evolução do tamanho de trinca. O desempenho desta metodologia foi avaliado através do desvio relativo e tempo computacional, em relação às soluções numéricas aproximadas obtidas pelo método de Runge-Kutta de 4º ordem explícito (RK4). Atingiu-se um desvio relativo máximo de 5,92% e o tempo computacional foi, para os exemplos resolvidos, 130000 vezes superior ao tempo obtido pelo método do RK4. Realizou-se, ainda, uma aplicação de Engenharia para a obtenção de uma solução numérica aproximada, a partir da média aritmética das cotas superior e inferior obtidas na metodologia aplicada neste trabalho, quando não se conhece a lei de evolução. O erro relativo máximo encontrado nessa aplicação foi de 2,08% o que comprova a eficiência da metodologia “Fast Bounds Crack”. / A significant part of the life of a mechanical component occurs, the crack propagation stage in fatigue. Currently, it is had several mathematical models to describe the crack growth behavior. These models are classified into two categories in terms of stress range amplitude: constant and variable. In general, these propagation models are formulated as an initial value problem, and from this, the evolution curve of the crack is obtained by applying a numerical method. This dissertation presented the application of the methodology "Fast Bounds Crack" for the establishment of upper and lower bounds functions for model evolution of crack size. The performance of this methodology was evaluated by the relative deviation and computational times, in relation to approximate numerical solutions obtained by the Runge-Kutta method of 4th explicit order (RK4). Has been reached a maximum relative deviation of 5.92% and the computational time was, for examples solved, 130,000 times more higher than achieved by the method RK4. Was performed yet an Engineering application in order to obtain an approximate numerical solution, from the arithmetic mean of the upper and lower bounds obtained in the methodology applied in this work, when you don’t know the law of evolution. The maximum relative error found in this application was 2.08% which proves the efficiency of the methodology "Fast Bounds Crack".

Uma parte significativa da vida de um componente mecânico pode ocorrer com a propagação de trincas em fadiga. Atualmente, dispõe-se de vários modelos matemáticos para descrever o comportamento do crescimento da trinca. Esses modelos são classificados em duas categorias em termos da amplitude de tensão: constante (CAC) e variável (CAV). Em geral, esses modelos de propagação são formulados como um problema de valor inicial (PVI) e, a partir disso, a curva de evolução da trinca é obtida através da aplicação de um método numérico. Nesta dissertação apresentou-se a aplicação da metodologia “Fast Bounds Crack” para o estabelecimento das funções cotas superior e inferior para modelos de evolução do tamanho de trinca. O desempenho desta metodologia foi avaliado através do desvio relativo e tempo computacional, em relação às soluções numéricas aproximadas obtidas pelo método de Runge-Kutta de 4º ordem explícito (RK4). Atingiu-se um desvio relativo máximo de 5,92% e o tempo computacional foi, para os exemplos resolvidos, 130000 vezes superior ao tempo obtido pelo método do RK4. Realizou-se, ainda, uma aplicação de Engenharia para a obtenção de uma solução numérica aproximada, a partir da média aritmética das cotas superior e inferior obtidas na metodologia aplicada neste trabalho, quando não se conhece a lei de evolução. O erro relativo máximo encontrado nessa aplicação foi de 2,08% o que comprova a eficiência da metodologia “Fast Bounds Crack”. / A significant part of the life of a mechanical component occurs, the crack propagation stage in fatigue. Currently, it is had several mathematical models to describe the crack growth behavior. These models are classified into two categories in terms of stress range amplitude: constant and variable. In general, these propagation models are formulated as an initial value problem, and from this, the evolution curve of the crack is obtained by applying a numerical method. This dissertation presented the application of the methodology "Fast Bounds Crack" for the establishment of upper and lower bounds functions for model evolution of crack size. The performance of this methodology was evaluated by the relative deviation and computational times, in relation to approximate numerical solutions obtained by the Runge-Kutta method of 4th explicit order (RK4). Has been reached a maximum relative deviation of 5.92% and the computational time was, for examples solved, 130,000 times more higher than achieved by the method RK4. Was performed yet an Engineering application in order to obtain an approximate numerical solution, from the arithmetic mean of the upper and lower bounds obtained in the methodology applied in this work, when you don’t know the law of evolution. The maximum relative error found in this application was 2.08% which proves the efficiency of the methodology "Fast Bounds Crack".

Orientador: Luiz Otavio Saraiva Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T21:02:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_LuizClaudioMarangonide_D.pdf: 9710529 bytes, checksum: 4fc22426f2b4d1d845715c4742df71a2 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Scanners são dispositivos que defletem um feixe luminoso e transfonnam um feixe puntual em uma linha de varredura, com amplitude e freqüência controladas. Diversos equipamentos utilizam este padrão luminoso para codificar ou decodificar infonnações, exemplos mais comuns são os leitores de código de barras de bancada, utilizados em supennercados, e as impressoras laser. V ários fenômenos podem ser empregados para defletir um feixe luminoso. Neste trabalho, os scanners utilizam o princípio da reflexão da luz por um espelho em movimento hannônico e ressonante sob ação de forças de origem eletromagnética. Tais forças são geradas pela interação de correntes induzi das na annadura, com o campo magnético produzido por ímãs pennanentes. A principal vantagem deste tipo de scanner é a ausência de conexões elétricas entre as partes móveis e fixas do dispositivo, o que simplifica o processo de fabricação e o toma mais robusto e menos suceptível a falhas. Parte dos scanners similares existentes atualmente são dispositivos eletro-mecânicos complexos, fabricados em série. Trabalhos anteriores demonstraram a viabilidade da geometria planar e da utilização de processos de fabricação em lotes, derivados da microeletrônica, neste tipo de scanner. Os protótipos fabricados, embora funcionais, apresentaram consumo de potência acima da média para este tipo de dispositivo, o que demonstrava a necessidade de melhorias em seu projeto. O processo de fabricação, embora confiável, foi desenvolvido com materiais e métodos baseados no Silício e originários da microeletrônica, o que dificultava sua implantação em indústrias em território nacional. Neste trabalho, foram pr9postos aprimoramentos à tecnologia dos scanners ressonantes planares atuados por indução para tomar seu desempenho compatível com o d~ dispositivos similares, e também para viabilizar sua fabricação utilizando materiais e métodos disponíveis no país. Uma metodologia de projeto, em conjunto com uma série de contribuições ao modelo, foi proposta e avaliada. Para viabilizar a fabricação propôs-se a utilização do Bronze-fosforoso, como material estrutural, e a utilização de foto-fabricação, como processo de fabricação. As contribuições propostas neste trabalho possibilitaram a redução do consumo de potência de 2, 2 W para cerca de 5 m W por grau óptico, e o aumento da freqüência de operação do circuito de cerca de 1 kHz para 4 kHz, com um ângulo de deflexão óptico típico de 20° pico-a-pico, parâmetros compatíveis com os de dispositivos similares, mas mecanicamente mais complexos e fabricados por processo serial / Abstract: Scanners are devices that deftects a light beam and converts a spot light in a well controlled amplitude and frequency scan line. Several applications uses the generated pattem to code or decode data, common examples ar,e barcode readers, and laser printers. A light beam can be deftected by different means. In this work, the scanner deftects the light by reftection in a moving mirror, in a resonant and harmonic movement, subjected to forces of electromagnetic nature. Such forces are generated by the interaction between an induced current in the armature, and a magnetic field, generated by permanent magnets. The main advantage of this kind of scanner is the absence of electrical connections between the mobile, and fixed parts of the device, that simplifies the fabrication process, and make its more reliable and less fault susceptible. Part of the similar devices available today are complex eIectro-mechanical devices, manufactured by serial processo Earlier works established that the planar geometry, and the use of batch fabrication process, derived from microelectronics, are feasible with this kind of device. A1though functional, the earlier prototypes presented a high power consumption, that shown the demand for an improved designo The Silicon-based fabrication process adopted makes the use of materiaIs and methods that are not readily accessible to the Brazilian industry. In this work improvements were proposed to the induction actuated planar resonant scanners technology. The goal was to make its performance compatible with the performance of similar devices, and to enable its fabrication using materiaIs and methods available to the Brazilian industry. A design m~thodology, and a set of model contributions were proposed and validated. The use of Phosphor-bronze, as structural material, and the photqfabrication process, as the machining method, were proposed as an option to the Silicon-based fabrication method. The contributions ofthis work had enabled the reduction ofthe power consumptlon from 2,2 W to about 5 m W per optical degree, and an increase in the working frequency from 1 kHz to 4kHz, with a optical deftection angle of about 20° peak-to-peak. Such parameters are fully compatible with similar devices, mechanically more complexes and manufactured by serial processes / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T23:11:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_FranciscodeCarvalho_M.pdf: 2597661 bytes, checksum: 7a02462088e7914e422081012b449048 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Este trabalho propõe um modelo numérico de contato roda-trilho, baseado no método dos elementos finitos, para estimar a vida em fadiga até o surgimento da trinca, e quanto à falha por escamação, de uma roda ferroviária classe C de um vagão de carga de uma ferrovia nacional, de Serra dos Carajás. O modelo tem como principal contribuição à abordagem elastoplástica juntamente com a inclusão das tensões residuais provenientes do tratamento térmico do processo de fabricação da roda. O modelo de elementos finitos utilizou técnicas de submodelagem, tanto na determinação no campo de tensões residuais de fabricação, quanto no de contato roda-trilho. Para efeito de comparação, determinaram-se as tensões e deformações também com um modelo semi-analítico elástico, baseado na teoria de Hertz, além de um modelo numérico elastoplástico sem tensões residuais de fabricação. A vida foi determinada através de dois critérios de fadiga, que incorporam a influencia das tensões hidrostáticas e planos críticos. O critério de alto ciclo de Dang Van foi modificado para adaptar-se ao problema de dois corpos em contato. O outro critério utilizado foi o de Fatemi¿Socie, baseado em deformações cisalhantes. O número de ciclos encontrado para o início da trinca foi então corrigido de acordo com uma distribuição normal estatística da posição lateral do ponto de contato. O trabalho mostrou que as tensões residuais, benéficas para a propagação de trincas, reduzem a vida até o surgimento destas / Abstract: This work proposes a wheel-rail contact model based on finite element method to estimate the fatigue life to shelling, until the beginning of the crack of a railroad wheel class C of a heavyhull Brazilian railroad from Serra dos Carajás. The main contribution of this work is the elastoplastic approach with the inclusion of the residual stress generated by the heat treatment of the wheel manufacture process. Submodeling techniques were used to determinate the residual stresses from manufacture process and the contact stresses. Aiming the comparison, the wheelrail contact stresses was calculated using an analytic model, based on Hertz theory, and a numeric model (FEM) without residual stress from the manufactured process. The fatigue life was calculated using two criterions based on critical planes and hydrostatic stresses. The high cycle fatigue criterion from Dang Van was adapted to be used in contact problems. The other one was the Fatemi¿Socie criterion, based on shear strains. The number of cycles until the arising of the fatigue crack was correct using a statistical normal distribution of the lateral position of the contact point. This work shows that the residual stress generated by the manufacture process, which prevents the crack propagation, reduces the fatigue life until the arising of the crack / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Em uma abordagem realística de estruturas e componentes mecânicos admite-se a existência de trincas. A presença destas, geralmente, está associada ao fenômeno da fadiga. Existem diversos modelos matemáticos que descrevem a propagação de uma trinca. De forma geral, os modelos de propagação de trinca são classificados pelo tipo de carregamento, que pode ter amplitude de tensão constante (CATC) ou amplitude de tensão variável (CATV). Neste trabalho foi utilizado o modelo do tipo CATC proposto por Collipriest. Para muitas aplicações de engenharia, até um certo momento, não se faz necessário uma grande acurácia nas previsões do comportamento das estatísticas, a cerca da evolução de uma trinca, mas uma previsão confiável, dentro de certos limites, desse comportamento. Este trabalho apresenta resultados teóricos, que consistem em obter cotas, inferiores e superiores, que “envelopam” os estimadores dos momentos estatísticos de primeira e de segunda ordem da função “tamanho de trinca” baseadas no método “Fast Crack Bounds”. Essas cotas são polinômios, definidos na variável número de ciclos, que consideram as incertezas nos parâmetros que descrevem os modelos de propagação de trinca. O método de simulação de Monte Carlo foi utilizado para obter as realizações da função tamanho de trinca a partir de um conjunto de 10.000 amostras randômicas dos parâmetros característicos do modelo de Collipriest. Essas realizações foram utilizadas para obter os estimadores dos momentos estatísticos do tamanho de trinca. A eficiência das cotas para os estimadores dos momentos estatísticos do tamanho de trinca é avaliada através de funções “desvio relativo” entre as cotas e as soluções numéricas aproximadas do problema de valor inicial (PVI) que descreve o modelo de Collipriest. Em geral, a solução dos PVI que descrevem os modelos de propagação de trincas é obtida através do uso de métodos numéricos, como o método de Runge-Kutta de quarta ordem explícito (RK4). Neste trabalho foi utilizado o software MATLAB para obter as soluções do PVI que descreve o modelo de Collipriest, avaliar o tempo computacional da metodologia proposta, além dos desvios das cotas em relação às soluções aproximadas, confirmando sua eficiência. / In a realistic approach of structures and mechanical components, cracks are admitted. Their presence is usually associated with the fatigue phenomenon. There are several mathematical models that describe the propagation of a crack. In general, the crack propagation models are classified by the type of load, which can have constant stress amplitude (CSA) or variable stress amplitude (VSA). In this work, the CSA type model proposed by Collipriest was used. For many engineering applications, until a certain point, it is not necessary to have great accuracy in predictions of the behavior of statistics, about the evolution of a crack, but a reliable prediction, within certain limits, of this behavior. This work presents theoretical results, which consist of obtaining lower and upper bounds that "envelop" the estimators of the first and second order statistical moments of the crack size function based on the Fast Crack Bounds method. These bounds are polynomials defined in the variable “number of cycles” that consider the Metais - Fadiga uncertainties in the parameters that describe the crack propagation models. The efficiency of the bounds for the statistical moments of crack size is evaluated through the deviation between the bounds and the approximate numerical solutions of the initial value problems (IVP) that describes the Collipriest model. In general, the solution of the IVPs describing crack propagation models is obtained through the use of numerical methods, such as the explicit fourth order Runge-Kutta method (RK4). In this work, the MATLAB software was used to obtain the solutions of the IVP that describes the Collipriest model, to evaluate the computational time of the proposed methodology, besides the deviations of the bounds in relation to the approximated solutions, confirming its efficiency.

A maioria das máquinas e componentes mecânicos estão sujeitos a solicitações dinâmicas as quais podem ocasionar falhas por fadiga. Um dos métodos para a previsão de falhas por fadiga é a Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Na MFLE existem diversos modelos que descrevem a propagação de uma trinca, com suas diferentes abordagens e concepções. De forma geral, distinguem-se os modelos de propagação de trinca para carregamentos com amplitude de tensão constante e variável. Dentre os modelos de amplitude de tensão constante destaca-se a Lei de Paris, que consiste de um Problema de Valor Inicial (PVI), sendo que sua solução, em poucos casos, é determinada de forma exata. Assim, o objetivo deste trabalho é propor uma nova metodologia para solucionar alguns modelos de propagação de trinca de amplitude de tensão constante, como os modelos de Paris-Erdogan, Forman, Walker, McEvily e Priddle sem a necessidade da utilização de métodos numéricos para a solução. Essa metodologia foi desenvolvida estabelecendo cotas, superior e inferior, que delimitam o comportamento das soluções dos modelos de propagação de trinca. Para isso, através da literatura, foram delimitados os modelos a serem avaliados com base em dois aspectos principais: modelos que incorporem em suas equações as regiões I a III da propagação de trinca, e modelos que levem em consideração parâmetros como a razão de tensão, a tenacidade à fratura e o fator intensidade de tensão inicial para propagação de trinca. Para verificação da precisão e eficácia da nova metodologia, foi calculado o desvio relativo entre as cotas e a solução numérica aproximada, utilizando o método de Runge-Kutta de 4a ordem (RK4), e observou-se que as cotas são válidas como forma de aproximação do comportamento da evolução da trinca para todos os modelos estudados. Também foi avaliado o desempenho da utilização das cotas em relação à solução pelo método RK4 através do tempo de computação, e foi observado que com a utilização das cotas, consegue-se um monitoramento dinâmico dos resultados. / Most machines and mechanical components are subject to dynamic loads that can lead to fatigue failures. One of the methods for the prediction of fatigue failures is the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM). In the LEFM there are several models that describe the propagation of a crack, with their different approaches and conceptions. In general, a distinction is made between the crack propagation models under constant and variable amplitude load. One of the constant amplitude load models is the Paris law, consisting of an Initial Value Problem (IVP), whose solution, in a few cases, can be obtained in closed form. Thus, the objective of this work is to propose a new methodology to solve some models of crack propagation under constant amplitude load, as the models of Paris-Erdogan, Forman, Walker, McEvily and Priddle, without requiring the use of numerical methods for the solution. This methodology was developed by establishing upper and lower bounds that delimit the behavior of the solutions of the models of crack propagation. For that, through literature, were delimited the models to be assessed on the basis of two main aspects: models that incorporate in their equations the regions I to III of the crack propagation, and models that take into account parameters such as the stress ratio, fracture toughness and threshold stress intensity factor for crack propagation. For verification of the accuracy and effectiveness of the new methodology, the relative deviation between bounds and approximate numerical solution was calculated, using the Runge-Kutta 4th order (RK4), and it was observed that the bounds are valid as a way of obtaining approximate solutions to all models. The performance of the use of bounds regarding the RK4 method solution was also evaluated through the computation time.