Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Major Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

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

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2007

O presente trabalho abordou a simulação numérica de problemas relacionados a um tópico de grande importância na área médica: o comportamento de tecidos ósseos. Foram utilizadas ferramentas computacionais, fundamentos de Mecânica dos Sólidos e teorias baseadas em estudos e experimentos, para simular o comportamento desses tecidos vivos. Aqui se desenvolveu uma metodologia para criar modelos computacionais de ossos fazendo uso de leituras tomográficas, designando as propriedades em função do valor das densidades. A metodologia foi aplicada juntamente com algoritmos genéticos e o método dos elementos finitos para obter a melhor posição de implantes ortodônticos, visando uma homogeneização da tensão no osso na região de colocação do implante. Também foi possível fazer uma comparação entre modelos utilizados na literatura e o desenvolvido aqui. Em particular, foi demonstrado que o uso de materiais isotrópicos homogêneos e materiais com propriedades variáveis de acordo com a densidade levam a resultados diferentes para a otimização da orientação do implante. Foi criado um modelo computacional de remodelamento ósseo com isotropia transversal, com base no modelo de crescimento ósseo isotrópico de Stanford e utilizando as relações constitutivas dos tecidos ósseos. Foi realizada uma comparação entre os modelos isotrópico e isotrópico transversal na simulação do processo de remodelamento ósseo, sendo possível destacar as principais diferenças entre eles. A seguir foi realizada a aplicação do remodelamento ósseo para a otimização de próteses femorais. Foram construídos modelos computacionais integrando o método dos elementos finitos, um modelo matemático do comportamento adaptativo do material ósseo e o método dos algoritmos genéticos, visando a minimização da perda de massa óssea após a inserção de próteses em um osso hospedeiro. Foram realizadas três otimizações para combinações diferentes de parâmetros de projeto de uma prótese femoral. Na primeira, foi realizada a otimização da geometria e do módulo de Young da prótese. Na segunda, foi otimizado apenas o módulo de Young da prótese. Na terceira, foi proposto um modelo de prótese bimaterial, no qual os módulos de Young e a posição da divisão entre os materiais são os parâmetros de projeto escolhidos. A partir dos resultados obtidos, foi possível fazer comentários e sugestões sobre o material utilizado para construção de próteses femorais, bem como sobre a aplicabilidade da metodologia empregada na simulação de problemas de biomecânica. / The present work is addressed to the numerical simulation of problems related to an important topic in the medical area, namely, bone tissues. Computational methods, solid mechanics and theoretical/experimental studies were used to simulate the behavior of live bone tissues. A methodology was developed to create computational models using tomography data, assigning the mechanical properties from the corresponding densities map. The methodology was applied with genetic algorithms and the finite element method to predict the optimal position of orthodontic implants, aiming the homogenization stress in the bone. It was possible to compare some models found in literature and the one developed here. In particular, it was showed that homogeneous isotropic materials and materials with variable density result in different predictions in the optimization of the implant orientation. A computational scheme for bone remodeling was developed using three material behavior laws: transversally isotropic, isotropic Stanford model and classical constitutive relations for bone tissues. A comparison between the isotropic model and the transversally isotropic in the simulation of the bone remodeling was carried out, and the main differences between them were highlighted. Then the proposed bone remodeling scheme was applied to optimize femoral prosthesis. The computational models integrated the finite element method, a mathematical model to describe the behavior of adaptive bone material, and the genetic algorithm. The optimization aimed reduction of bone absorption after the insertion of a prosthesis in a bone host. Three cases of cemented femoral prosthesis were optimized. In the first case, the Young Modulus and geometry of the prosthesis were selected as design variable. In the second case, only the Young Modulus was used as design variable. In the third case, a bi-material prosthesis was proposed was proposed and optimized. Conclusions about the applicability of the proposed formulation for the simulation of biomechanics problems are drawn.

Cada vez mais as siderúrgicas focadas na produção de aços especiais fazem uso de dispositivos eletromagnéticos que agem de forma benéfica no escoamento do aço no interior do molde e também nas trocas térmicas entre o aço líquido e o molde de cobre. Porém, o uso desses dispositivos pode acarretar perturbações indesejáveis na região de interface entre o metal e a camada protetora de escória no topo do molde. Essas perturbações na interface podem proporcionar arraste e emulsificação de escória. O aprisionamento de escória no molde pode dar origem a problemas como defeitos superficiais e internos nos tarugos solidificados. Baseado em práticas correntes nas plantas siderúrgicas este trabalho pretende verificar as condições que propiciam o arraste de escória na região superior do molde, nos casos em que se aplica agitação eletromagnética. Este estudo foi realizado em duas etapas, sendo que a primeira etapa destina-se o estudo e desenvolvimento de um modelo, fazendo uso de uma ferramenta numérica, que represente o funcionamento de agitadores eletromagnéticos usados na siderurgia. Dando seqüência ao estudo, foi então desenvolvido um modelo fluidodinâmico do molde do lingotamento contínuo, dando enfoque ao comportamento da interface metal – escória. O efeito do agitador sob o escoamento foi acoplado ao modelo fluidodinâmico, através de resultados do modelo eletromagnético calculados no modelo anterior. O objetivo desta etapa do trabalho é estudar as características de deformação do menisco e tentar avaliar a ocorrência de arraste de escória quando da variação de alguns parâmetros, como por exemplo, intensidade de agitação e espessura de camada líquida de escória. Foram analisados escoamentos em moldes circulares com duas diferentes de seções transversais. Nestes escoamentos foram testadas três intensidades de agitação eletromagnéticas para cada um deles. Outro parâmetro testado foi a espessura da camada de escória no menisco. Este estudo demonstrou que a agitação eletromagnética excessiva pode acarretar arraste de escória, como indicado na literatura. Foi possível também verificar o tipo de deformação que ocorre na interface e as características que podem proporcionar circunstâncias críticas para o arraste. Além da intensidade de agitação, os resultados também sugerem que, quanto menor profundidade de submersão da válvula, maior a probabilidade de ocorrência de arraste. / Each time more the steelmaking plants, focused on the special steels productions, have used electromagnetic devices which act well not only on the steel flow inside the mold but also on the thermal changes between the liquid steel and the copper mold. However, the use of these devices may cause undesirable instability in the interface steel – slag in the top of the mold. These instabilities in the interface may cause entrapment and emulsification of the slag. The entrapment of the slag in the mold may originate problems like superficial and internal defects in the solidified billet. Based on current practices in the steelmaking plants, this paper aims to verify the conditions that promote the slag entrapment in the upper region of the mold, in the cases in which the electromagnetic stirring is applied. This study was developed in two stages. The first stage aimed to study and to construct a numerical model which represents the electromagnetic stirrer work. As a sequence of the study, a fluid-dynamic model to the flow in the continuous casting mold was developed, with focus on the behavior of the steel – slag interface. The electromagnetic stirrer effects, under the steel flow in the mold, were coupled with the fluid-dynamic model, through the electromagnetic model results, previously calculated. The aim of this work is to verify the possibilities of slag entrapment occurrence when there is variation of the parameters like the electric current intensity (electromagnetic stirring), slag thickness, slag viscosity and submersion nozzle depth. In this work the fluid flow was analyzed in a circular mold with two different sections (180mm and 230mm). Each section mold was tested with a type of mold powder. In this flow three different stirrer intensities were tested. This study shows that the excessive electromagnetic stirring may cause slag entrapment, as indicated in the literature. It was also possible to verify the kind of deformation that happens on the steel-slag interface, and the characteristics that bring critical circumstances to the slag entrapment. Besides the stirring intensity, the results also suggest that the smaller the submersion nozzle depth the greater the probability of the slag entrapment occurrence.

Este trabalho apresenta uma sistemática para realizar a otimização numérica de pré-formas e de matrizes em problemas de forjamento axissimétricos e em estado plano de deformações. Para este fim, desenvolveu-se um código computacional composto basicamente de três módulos: módulo de pré-processamento, módulo de análise e módulo de otimização. Cada um destes foi elaborado acrescentando rotinas em programas comerciais ou acadêmicos disponíveis no GMAp e no CEMACOM. Um programa gerenciador foi desenvolvido para controlar os módulos citados no processo de otimização. A abordagem proposta apresenta uma nova função objetivo a minimizar, a qual está baseada em uma operação booleana XOR (exclusive or) sobre os dois polígonos planos que representam a geometria desejada para o componente e a obtida na simulação, respectivamente. Esta abordagem visa eliminar possíveis problemas geométricos associados com as funções objetivo comumente utilizadas em pesquisas correlatas. O trabalho emprega análise de sensibilidade numérica, via método das diferenças finitas. As dificuldades associadas a esta técnica são estudadas e dois pontos são identificados como limitadores da abordagem para problemas de conformação mecânica (grandes deformações elastoplásticas com contato friccional): baixa eficiência e contaminação dos gradientes na presença de remalhamentos. Um novo procedimento de diferenças finitas é desenvolvido, o qual elimina as dificuldades citadas, possibilitando a sua aplicação em problemas quaisquer, com características competitivas com as da abordagem analítica Malhas não estruturadas são tratadas mediante suavizações Laplacianas, mantendo as suas topologias. No caso de otimização de pré-formas, o contorno do componente a otimizar é parametrizado por B-Splines cujos pontos de controle são adotados como variáveis de projeto. Por outro lado, no caso de otimização de matrizes, a parametrização é realizada em termos de segmentos de reta e arcos de circunferências. As variáveis de projeto adotadas são, então, as coordenadas das extremidades das retas, os raios e centros dos arcos, etc. A sistemática é fechada pela aplicação dos algoritmos de programação matemática de Krister Svanberg (Método das Assíntotas Móveis Globalmente Convergente) e de Klaus Schittkowski (Programação Quadrática Sequencial – NLPQLP). Resultados numéricos são apresentados mostrando a evolução das implementações adotadas e o ganho de eficiência obtido.

A elaboração de um projeto de obra de edificação é fruto da interação entre profissionais de diversas disciplinas desenvolvendo, simultaneamente, suas opções e decisões com relação ao mesmo. É necessário considerar a qualidade do processo de elaboração do projeto dependente de uma efetiva comunicação entre os membros da equipe. A indústria da construção civil está sendo beneficiada pelos recursos oferecidos pela tecnologia da informação como, por exemplo, os sistemas colaborativos (extranets de projeto). Estes sistemas corroboram na integração e comunicação entre os membros de um projeto. O objetivo da presente pesquisa foi a apresentação do desenvolvimento de modelo validado de ferramenta computacional projetada para complementar um sistema colaborativo pré-existente. Esta ferramenta foi denominada Sistema de Programação e Controle do Processo de Projeto (SIPROCON/PP). A finalidade do SIPROCON/PP é auxiliar no processo de tomada de decisão dos coordenadores através do monitoramento do cronograma e do fluxo do intercâmbio de informações das atividades geradoras de informações neste processo. O processo de desenvolvimento da ferramenta foi delineado em harmonia com a organização da pesquisa. Neste sentido, é assinalado o uso da prototipação e da simulação como estratégias de pesquisa, utilizados respectivamente na construção e validação do modelo da ferramenta. Ante a necessidade do experimento, foi criada uma atividade lúdica através da qual foi reproduzido o intercâmbio de informações de um processo de projeto denominada Sistemática de Simulação do Processo de Projeto (SS/PP) para validação do modelo da ferramenta. Logo, por meio do uso das simulações foram obtidos os dados correspondentes a validação da modelagem e aplicação do SIPROCON/PP e, ao mesmo tempo, necessários à conclusão da pesquisa. Diante disso, a partir da análise dos dados coletados é apontada a melhoria na qualidade do processo de elaboração do projeto considerando a formação de uma equipe equilibrada de projeto. Isso, fruto do conhecimento mais acurado do coordenador sobre o desempenho de cada projetista.

Este trabalho apresenta um modelamento computacional dos diversos componentes de um ciclo de Rankine regenerativo em operação transiente, utilizando as leis fundamentais de balanço de massa e energia, além de algumas equações constitutivas. O cálculo das propriedades termodinâmicas foi realizado através de rotinas desenvolvidas no Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE) da UFRGS. Os componentes com comportamento inercial são o condensador e o tanque de água de alimentação. Os demais respondem instantaneamente. O método de solução das equações algébricas é seqüencial e o avanço no tempo é totalmente implícito. Primeiramente o sistema é colocado em regime permanente, a partir do qual é introduzida uma mudança de carga na turbina em um determinado intervalo de tempo. Algumas variáveis prescritas foram obtidas a partir de dados reais de uma usina termelétrica. A partir desse modelamento foi possível investigar o comportamento dinâmico do condensador e do tanque de alimentação e de que maneira estes efeitos eram percebidos pelos demais componentes. Os resultados obtidos demonstram que ambos possuem um comportamento dinâmico, sendo que o condensador apresenta uma constante de tempo menor que o tanque de alimentação. O condensador, por rejeitar o calor necessário, acaba por perceber rapidamente as oscilações introduzidas no ciclo Além disto é apresentado um método para determinação de coeficientes globais de troca térmica em condensadores e regeneradores. Os resultados obtidos neste trabalho foram utilizados na modelagem desses componentes durante a construção de um simulador em regime permanente da UTE Presidente Médici - Fase B. Também foi realizada uma pesquisa sobre os diversos programas simuladores de plantas de potência, assim como uma discussão das vantagens introduzidas por simuladores dinâmicos e em regime permanente nas decisões de engenharia.

A avaliação da solicitação produzida por explosões, assim como da resposta de estruturas, são temas de muito interesse na engenharia atualmente, tanto pela quantidade crescente de acidentes relacionados com explosões quanto pelas ações terroristas muitas vezes vinculadas a estes tipos de ações. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo explorar técnicas de análise tanto na modelagem da excitação quanto na resposta de estruturas consideradas como alvos. Para isto, são utilizadas metodologias de diferentes tipos: implementações baseadas em sistema de elementos finitos comerciais como Ansys [2000] e LS-Dyna [2003] e técnicas simplificativas que permitem realizar uma avaliação preliminar. As aplicações consideradas são indicadas a seguir: • Análise da Resposta de Estruturas Laminares Submetidas à Ação de Cargas Explosivas: determina-se a pressão produzida por explosivos sólidos a certa distância do epicentro, através de métodos simplificados, determinando a resposta esperada em placas retangulares; • Efeito da Pressão Interna em Vasos de Pressão (Extintores de Incêndio): comparando resultados numéricos e experimentais verifica-se a influência da pressão interna nas propriedades dinâmicas do sistema; • Estudo de Um Vaso Esférico de GLP Sob Ação de Uma Carga Explosiva: aplica-se a ação de uma onda explosiva produzida por um gás inflamável pesado sobre uma estrutura de vaso de pressão esférico com fluido e gás em seu interior, determinando sua resposta, avaliando também a influência de diferentes quantidades de líquido e pressão interna na resposta da estrutura; • Modelamento de uma Camada de Solo / Propagação das Ondas: verifica-se o comportamento da propagação de ondas em um meio elástico, comparando valores encontrados em testes experimentais. Analisa-se numericamente o efeito da inserção de uma valeta na atenuação de tais ondas; • Simulação Numérica Completa de uma Explosão: modela-se um semi-espaço submetido à ação de um explosivo sólido sobre sua superfície, avaliando os campos de pressão gerados. Ao final de cada aplicação são apresentadas conclusões parciais obtidas e as possibilidades de trabalhos futuros vislumbrados. Finalmente, conclui-se que as técnicas empregadas para as simulações são extremamente eficientes, considerando conhecidos todos os parâmetros envolvidos em cada modelo. Neste ponto é fundamental o trabalho do engenheiro, utilizando-se de seus conhecimentos técnicos para transformação do evento real em um modelo numérico, considerando e selecionando as simplificações necessárias.