Esta tese fornece uma descrição do comportamento plástico de tubos metálicos de parede fina isotrópicos e anisotrópicos na conformação não convencional de junções metálicas utilizando elastômeros.A força total de conformação associada ao deslocamento do domo das junções são previstas teoricamente e experimentalmente para três materiais de tubos recozidos distintos: Alumínio, Cobre e Latão 70/30. Alguns dos parâmetros plásticos dos materiais dos tubos, assim como o parâmetro do processo escolhido, o fator de atrito, são também analisados com base nessas mesmas forças.Um dispositivo foi também construído e empregado somente para simular o processo unilateral de conformação de junções de cobre, devido à dificuldade já estabelecida na predição do valor do fator de atrito, m. Este dispositivo é capaz de avaliar o fator de atrito usado em um novo modelo analítico para o calculo da força total de conformação, a qual é útil para a definição do ferramental e do equipamento necessário no processo. Esse modelo incorpora a anisotropia, através do emprego de três critérios de escoamentos anisotrópicos diferentes, ou seja, o critério de Hill de 1948, o critério de Hill de 1979 e uma variante desse último critério, estabelecida por Hosford.Finalmente, é estabelecido um melhor entendimento sobre o comportamento ao escoamento plástico de tubos de paredes finas em processamento, o qual traduz o conhecimento necessário para propor soluções visando melhorar a eficiência do processo de conformação de junções de tubos metálicos utilizando elastômeros, assim como permitirá a idealização de novos projetos.

No presente trabalho implementamos a teoria proposta por Bauchau (1) para vigas de material composto de paredes finas, ortotrópicas, multi-camadas, unicelular, uniforme (seção transversal constante) com carregamento não uniforme e combinado de torção e flexão, em programas de elementosfinitos. Esta teoria leva em consideração os efeitos de retorção, não levados em conta na teoria clássica. Toda a dedução é feita através de um princípio variacional onde os deslocamentos são as variavéis de campo e na hipótese cinemática de que cada seção é infinitamente rígida na seu próprio plano mas livre para deplanar fora dele. Os resultados de deslocamento e de fluxo de esforços, encontrados com os programas implementados da teoria descrita acima, foram comparados com o programa comercial NASTRAN (14) em três exemplos com características diferentes entre si. Os deslocamentos encontrados mostraram que, para as vigas de material composto de paredes finas estudadas, o resultado obtido é no mínimo 12% inferior quando da utilização da teoria clássica, mostrando assim a relevância do efeito de retorção neste tipo de vigas. A precisão do método foi comprovada no cálculo do deslocamento e de fluxo de esforços, sendo que a distribuição de fluxo de esforço cortante a convergência foi mais lenta.

Esta tese fornece uma descrição do comportamento plástico de chapas e tubos metálicos de parede fina, isotrópicos e anisotrópicos, na conformação não convencional utilizando elastômeros. Em particular, neste trabalho empregou-se o programa robusto de elementos finitos, Deform 3D, para a simulação numérica dos processos de conformação não convencionais de junções metálicas e dobramento de chapas com o uso de elastômeros. Desta forma, as forças de conformação totais associadas ao deslocamento do domo das junções foram adequadamente previstas; analiticamente, numericamente e então comparadas a dados experimentais, para três materiais de tubos recozidos distintos: Alumínio, Cobre e Latão 70/30. No geral, a concordância entre os resultados previstos, analiticamente e numericamente, em relação aos dados experimentais analisados foi muita boa, podendo a simulação ser caracterizada como um benchmark. Em especial, no caso do dobramento de chapas, as forças de conformação totais, o ângulo de dobramento e a recuperação elástica foram numericamente previstos e comparados com os dados experimentais obtidos por Braga (2009), observando-se boa concordância para três materiais de chapas: Alumínio, Aço e Latão 70/30 considerados. Além disso, neste trabalho é apresentada uma nova equação para determinação do comprimento do elastômero (modelo analítico), de modo que não haja falhas no processo de conformação de junções metálicas, que leva em consideração as propriedades mecânicas dos materiais dos tubos, através do emprego da lei do escoamento associado de Levy-Mises. Adicionalmente, é apresentado um novo modelo analítico para predição do fator de atrito (m), que é estabelecido a partir da relação entre o atrito tubo/matriz no processo de conformação de tubos utilizando elastômeros. Finalmente, a introdução desses novos modelos analíticos idealizados, junto com as predições analíticas, numéricas e experimentais que foram estabelecidas ao longo do trabalho ajuda a melhorar o entendimento do comportamento ao escoamento plástico de chapas e tubos de paredes finas em processamento; fato que traduz o conhecimento necessário para propor soluções visando melhorar a eficiência do processo de conformação não convencional de chapas e junções de tubos metálicos utilizando elastômeros, assim como permite a idealização de novos projetos.

A presente tese aborda duas modelagens teóricas para a conformação de Junções em "T" em tubos metálicos de parede fina, utilizando elastômeros. Enquanto um modelo utiliza a teoria do Limite Superior (Upper Bound Theory), outra emprega o método dos blocos (Slab Method) conjugado com a teoria de cascas. Em ambas as técnicas a previsão da carga de conformação, tensões e deformação são possíveis. Para verificação experimental um equipamento especial foi desenvolvido, construído e automatizado, e empregado na conformação de Junções em "T", a partir de tubos metálicos de alumínio, cobre e latão 70/30. O dispositivo foi automatizado de tal forma que o movimento dos estágios dos punções são simultâneos, empregando-se um mecanismo de quatro-barras, que foi projetado especificamente. Tal mecanismo, foi baseado na chamada "Folga do processo", que controla a relação entre a pressão aplicada no tubo e no elastrômero. Medidas de dureza, e análise metalográfica em tubos recozidos e após a conformação mostraram que o processo além de aumentar a resistência do material devido ao encruamento existente, proporcionam uma certa uniformidade das propriedades mecânicas. É também analisada a influência de outras variáveis no processo.

[pt] Este trabalho apresenta a análise numérica de vasos de pressão cilíndricos modelados por cascas e placas axissimétricas submetidas a carregamento de pressão interna uniformemente distribuída, utilizando-se a técnica de elementos finitos. São consideradas análises de junções entre superfícies com diferentes espessuras, tais como paredes finas (razão entre o raio e a espessura superior a 10) e moderadamente espessas (razão entre o raio e a espessura inferior a 5). Os campos de deslocamento considerados são os referentes aos elementos planos axissimétricos. A partir deste modelo são avaliadas as tensões na transição entre as superfícies e os resultados comparados com soluções analíticas simplificadas. Conclui-se que a solução analítica aproximada é aceitável para uma grande faixa de valores envolvendo placas e cascas de espessuras moderadamente espessas, enquanto que, para paredes finas, a análise por elementos finitos é necessária para verificação do comportamento das tensões na junção. Testes numéricos utilizando o programa ANSYS são apresentados para demonstrar o desempenho de análises lineares axissimétricas, empregando elementos quadráticos em comparação com as soluções analíticas e avaliando também as limitações do modelo analítico na região da descontinuidade geométrica do modelo proposto. / [en] This work presents the numerical analysis of cylindrical pressure vessels, modeled using axisymmetric shells and plates elements under internal pressure loads. The numerical analysis considers surface joints for various surface thickness ratios, from thin (ratio between radius and thickness greater than 10) to thick (ratio between radius and thickness less than 5) shells. Element displacement fields of axisymmetric plane elements are used to evaluate the stress state at the surfaces junctions, and the obtained results are compared to simplified analytical solutions. It is concluded that analytical approximate results present an acceptable solution for a large range of plates to shells geometries up to moderately thick shells, whereas for thin shells the finite element solution is necessary to be considered in order to accurately verify the stresses at plate to shell junction. Numerical tests applying ANSYS program are presented to demonstrate the performance of linear axisymmetric analysis applying quadratic elements in comparison to the analytical solutions also evaluating the limitations of the analytical model in the region of the geometric discontinuity of the proposed model.