Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Universidade de Aveiro. 2008

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Química, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação na FEUP do Professor Fernando Manuel Coutinho Tavares de Pinho, e na UBI do professor Paulo Jorge dos Santos Pimentel de Oliveira

Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Tese de Doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2005

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Ciências de Engenharia, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Professores António Manuel Antunes Fiúza e Margarida Maria de Brito Loebe Guimarães

Submitted by Dilene Paulo (dilene.fatima@ufcg.edu.br) on 2018-01-24T13:34:29Z No. of bitstreams: 1 ADRIANA LEMOS PORTO – TESE PPGEP 2015.pdf: 5478904 bytes, checksum: 538eff3a93037a4df0264df4891930d1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-24T13:34:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ADRIANA LEMOS PORTO – TESE PPGEP 2015.pdf: 5478904 bytes, checksum: 538eff3a93037a4df0264df4891930d1 (MD5) Previous issue date: 2015-08-25 / CNPq / Uma técnica inovadora atualmente em desenvolvimento é a construção de modelos digitais a partir de um conjunto de imagens de tomografia de raios-X de alta resolução adquiridas em amostras de rocha. Essa técnica permite definir a geometria 3D do espaço poroso e dos grãos minerais, bem como o reconhecimento dos minerais presentes na rocha. O objetivo desta pesquisa é estimar as propriedades petrofísicas (distribuição granulométrica, composição mineral, porosidade, permeabilidade e velocidade de propagação da onda P) de rochas sedimentares a partir de imagens de microtomografia de raios-X. Neste trabalho são analisadas cinco amostras de arenito (A4, A7, A9, AM10H e AM14V), uma de folhelho (F9), uma de calcário (carbonato Rosário) e duas de Tufa carbonática (Tufa CR e Tufa FG). Quantificou-se a proporção de finos presentes nas amostras, cuja precisão foi dependente da resolução das imagens analisadas. Neste trabalho propõe-se um novo método para a análise da composição mineral a partir de imagens microtomográficas. Os resultados alcançados para a simulação da composição mineral indicam que as amostras de arenito possuem aproximadamente a mesma composição mineral, a amostra de folhelho apresenta uma composição essencialmente silto-argilosa, e que as amostras carbonáticas são formadas essencialmente por calcita e dolomita. De um modo geral, os resultados de DRX confirmaram a composição mineral indicada pela microtomografia. Verificou-se uma relação aproximadamente linear entre os valores de porosidade medidos nos plugues e aqueles determinados por simulação das imagens microtomográficas. A permeabilidade estimada apresentou valores compatíveis com as permeabilidades medidas em laboratório, exceto para a amostra de folhelho e para a amostra de Tufa CR. Para o caso de amostras que possuem uma composição aproximadamente monominerálica, a simulação da onda acústica apresentou excelentes resultados quando comparados com as velocidades fisicamente medidas. Já para o caso das amostras de rocha que apresentam composição multiminerálica, a geração do modelo não considerou as diferentes fases que compõem a matriz mineral, resultando em velocidades simuladas muito acima das velocidades medidas. / An innovative technique currently under development is the construction of digital templates from a set of X-ray tomography, high-resolution images acquired in rock samples. This technique allows to define the 3D geometry of the pore space and mineral grains, as well as recognition of the minerals present in the rock. The objective of this research is to estimate the petrophysical properties (grain size distribution, mineral composition, porosity, permeability and P wave velocity) of sedimentary rocks from microtomography X-ray images. This work analyzed five samples of sandstone (A4, A7, A9, AM10H and AM14V), one of shale (F9), another of limestone (Carbonato Rosário) and two samples of carbonatic Tufa (Tufa CR and Tufa FG). Regarding the particle size distribution is possible to quantify the proportion of fines present in the samples, but such concentrations may be changed according to the resolution of the images analyzed. In this work we propose a new method for the analysis of mineral composition from microCT images. The results obtained for the simulations indicate that the mineral composition of the sandstone samples have approximately the same mineral composition, with different proportions of quartz and clay. Shale sample has an essentially clay composition and the carbonate samples are essentially formed by calcite and dolomite. DRX analyses have proved the mineral composition indicated by microCT analysis. In general, it is observed an approximately linear relationship between porosity values measured in the plugs and those determined by simulation of microCT images. The numerical simulation resulted in values of permeability compatible with permeabilities measured in the laboratory, except for the shale sample and for the Tufa CR sample. For the case of samples having an approximately monomineralic composition, acoustic velocity simulations showed excellent results compared with the physically measured velocities. But for the case of multimineralic rock samples the model generation not considered the different phases making up the mineral matrix, which resulted in simulated velocities far above the measured velocities.

Made available in DSpace on 2016-12-12T20:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Caroline Zanini Bressan.pdf: 4091231 bytes, checksum: 0de27c28e4c845db49e9a2081c0c7b93 (MD5) Previous issue date: 2015-06-18 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Numerical methods have received a substantial attention from Engineering Professionals especially due their capacity to provide solutions for a wide range of problems in many areas. In the last years, numerical simulation has become increasingly common and has turned into a key factor for solving numerous engineering problems in the industry as well in academia. This, however, requires the development of suitable methodological strategies to determinate constitutive law able to best describe the material behavior in the simulation. The present work is inserted within the context of metal forming, aiming to simulate 2D and 3D geometrical models of the simple tensile test and three-point bending test of a notched plate, both using the material properties of an Interstitial Free Steel, IF. For both cases, it was used a modified Gurson model available in the ABAQUS ® software, which is based on the finite elements method. Numerical modelling of the elasto-plastic process used to simulate the three-point bending and simple tensile test was discretised using structured meshes with an appropriate refinement. The experimental results for tensile tests used smooth cylindrical specimens with dimensions defined according to ASTM E 8M-01. The three point bending test was qualitatively compared with the results reported by Mashayeshi, et al (MASHAYEKHI, ZIAEI-RAD, et al., 2005). The strain hardening law used in this work was the Holomon or modified Swift law coupled with the damage evolution of the Gurson s model. The geometrical models for the tensile specimens account for axisymmetry, so that only one-quarter part of the 2D and 3D specimens was modelled. An appropriate mesh refinement in the necking region was also adopted. The numerical simulation was able to predict with success the stress-strain curve behaviour of the IF steel comparing with the experimental results. Both 2D and 3D simulation results of the simple tensile test were very similar. The prediction of porosity evolution with the applied displacement was analysed and the results indicated that the necking region in the central zone of the specimen presented the largest micro-void concentration, as expected. For the three-point bending test of a notched plate, the simulation provided a good qualitative agreement with the Mashayekhi´s numerical results, which have shown that the largest concentration of micro-voids was in the central region of the notch where the crack initiation occurs. / Métodos numéricos tem recebido uma grande atenção dos profissionais da área da engenharia em especial principalmente pelo seu caráter facilitador na solução de problemas em diversas áreas. Nos últimos tempos, a simulação numérica está se tornando cada vez mais comum e se transformando em uma peça chave para a resolução de inúmeros problemas de engenharia encontrados tanto nas indústrias quanto nas linhas de pesquisa científica das universidades. Isso, porém, exige desenvolvimento de estratégias de metodologias científicas adequadas o suficiente para determinar as leis que descrevam melhor o comportamento dos materiais a serem simulados. O presente trabalho está inserido no contexto da conformação de metais, tendo por objetivo simular, com malhas tipo 2D e 3D, os ensaios de tração simples e de flexão de três pontos de uma placa com entalhe de um aço livre de interstícios, aço IF (interstitial free steel), utilizando o modelo de Gurson modificado no programa ABAQUS ®, que utiliza o Método dos Elementos Finitos. Para o modelamento numérico do processo de deformação elasto-plástica dos ensaios de tração simples e flexão foi utilizada a lei de Gurson modificado de materiais porosos e uma malha com refinamento adequado. Os corpos de prova ensaiados experimentalmente em tração simples foram de aço IF cilíndricos preparados de acordo com a norma ASTM E 8M-01. Já o ensaio de flexão de três pontos foi simulado com o intuito de fazer uma comparação qualitativa com o resultado apresentado por Mashayekhi, Ziaei-Rad, et al. (MASHAYEKHI, ZIAEI-RAD, et al., 2005). A lei de encruamento plástico utilizada neste trabalho foi a Lei de Holomon ou Swift modificado acoplado com o modelo de evolução do dano de Gurson modificado. Após a escolha da geometria de somente quarta parte do corpo de prova, devido à simetria axissimétrica e do refinamento adequado da malha na região da estricção local, a simulação numérica foi capaz de prever com sucesso o comportamento da curva de tensãodeformação do aço IF comparando-se com os resultados experimentais. Os resultados da simulação 2D e 3D do ensaio de tração simples foram iguais. Portanto, a simulação 2D do ensaio de tração simples é mais conveniente pois é mais rápida e igualmente precisa que a simulação 3D para o presente caso de material dúctil e isotrópico. A previsão da evolução da porosidade com a deformação e a região de maior concentração de vazios foi analisada: ocorreu na região da estricção local e na zona central do corpo de prova como esperado. No caso do ensaio de flexão da placa com entalhe central, os resultados da simulação numérica mostraram uma boa concordância com os resultados de Mashayekhi, Ziaei-Rad et al. (2005), que apresentaram a maior concentração de vazios na região central do entalhe onde ocorrerá o aparecimento de trincas.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-04T20:52:13Z No. of bitstreams: 1 JÉSSICA BARBOSA DA SILVA DO NASCIMENTO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 5634263 bytes, checksum: 929da71867fefc79201bbfa0a102a100 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-04T20:52:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JÉSSICA BARBOSA DA SILVA DO NASCIMENTO - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 5634263 bytes, checksum: 929da71867fefc79201bbfa0a102a100 (MD5) Previous issue date: 2017-08-17 / Capes / Os separadores são equipamentos utilizados no processamento primário da indústria do petróleo com o objetivo de separar a mistura multifásica proveniente dos poços produtores. O trabalho avaliou o efeito dos dispositivos internos do vaso separador sobre a dinâmica do escoamento no processo de separação gás/óleo. Foi definido uma modelagem matemática com base na dinâmica de fluidos computacional (CFD) do separador horizontal bifásico. Adotou-se a abordagem Euleriana-Euleriana, considerando o modelo de mistura, disponibilizado no software Ansys CFX 15.0. O domínio consiste em um separador horizontal cilíndrico constituído de uma placa porosa que o divide em duas regiões: a região de separação primária, contendo três dispositivos internos (um defletor e duas chicanas) e a região de decantação. Foi gerada uma malha numérica empregando elementos tetraédricos, para a discretização das equações de conservação de massa, momento linear e de turbulência k padrão usando o método dos volumes finitos. Assumiu-se o escoamento em regimes permanente e transiente, isotérmico, com propriedades dos fluidos constantes e das forças interfaciais foram consideradas apenas as forças de arraste. Os resultados dos campos vetoriais de velocidade, assim como a fração volumétrica das fases indicam que a dinâmica do escoamento é fortemente dependente dos dispositivos internos. Na região de separação primária observou-se um alto nível de mistura causada pela turbulência gerada pelo impacto dos fluidos sobre a placa defletora posicionada imediatamente após a seção de entrada. A placa porosa possibilitou uma redução da turbulência dos fluidos, causada pela resistência do meio poroso ao escoamento. / The separators are equipments used in the primary processing of the petroleum industry to separate the multiphase mixture from the producing wells. The work evaluated the effect of the internal devices of the separator vessel on the flow dynamics in the gas/oil separation process. A mathematical model was defined based on computational fluid dynamics (CFD) of the horizontal two-phase separator. The Eulerian-Eulerian approach was adopted, considering the mixture model, available in Ansys CFX 15.0 software. The domain consists of a horizontal cylindrical separator consisting of a porous plate that divides it in to two regions: the primary separation, containing three internal devices (one deflector plate and two baffles) and the settling region. A numerical grid was generated employing tetrahedral elements, for the discretization of the mass conservation, linear momentum and k standard turbulence equations using the finite volume method. Isothermal flow with constant fluid properties in both steady state and transient regimes were assumed, and, from the interfacial forces, only the drag forces were considered. The velocity vector field results as well as the volumetric fraction of the phases indicate that the flow dynamics are strongly dependent on the internal devices. In the primary separation region, a high-level of mixing was observed due to the turbulence generated by the impact of the fluids on a deflector plate positioned immediately after the inlet section. The porous plate allowed a reduction of the turbulence of the fluids, caused by the resistance of the porous medium to the flow.

Assim como em qualquer processo de fabricação, a qualidade do produto final deve estar aliada à otimização dos custos do processo, portanto, deve-se conhecer os fatores que alteram as propriedades do produto e que possam causar alguma influência indesejada. A trefilação de barras de aço é usualmente utilizada para conferir precisão dimensional e melhores propriedades mecânicas ao material. Um dos grandes problemas encontrados na fabricação de eixos através deste processo é o aparecimento de distorções de forma após o tratamento térmico. Tais distorções estão diretamente ligadas ao acúmulo de tensões residuais geradas durante as etapas de pré-endireitamento, jateamento e trefilação propriamente dita, modificando o comportamento e resistência mecânica, bem como a resistência à fadiga e à corrosão das peças. Portanto, este trabalho tem por objetivo analisar, através de uma abordagem numérica computacional, a influência de parâmetros de processo e propriedades do material no aparecimento de distorções em barras trefiladas de aço AISI 1045, em função de possíveis fontes geradoras de heterogeneidades, principalmente de tensões residuais durante o processo de fabricação. A análise das tensões foi realizada através da modelagem numérica 3D do processo de trefilação, sendo utilizado o software de simulação numérica computacional DeformTM. Da mesma maneira, foram analisadas as formas de agarre que fornecem a velocidade do processo, a primeira utilizando um puxador na extremidade da barra, a segunda com um puxador envolto movimentando-se ao longo da barra. Através destas análises, verificou-se que a forma de como a barra é tracionada ocasiona uma redução de até 100 MPa nas tensões residuais no centro da barra, o que representa um fator importante no estudo das possíveis causas das distorções. Observou-se ainda que os fatores de velocidade e homogeneidade da lubrificação modificaram o perfil das tensões residuais na barra. Outros parâmetros, como desalinhamento da ferramenta, diferenças de atrito, excentricidade do eixo e curvatura da barra, também foram avaliados, sendo que ambos influenciam consideravelmente na distribuição das tensões residuais ao longo do perfil da barra. Torna-se evidente a importância de um eficiente pré-endireitamento do fio máquina, pois os resultados das simulações com curvatura mostram que a força de trefilação e a distribuição das tensões residuais ao longo da barra trefilada aumentam, bem como a barra apresenta certa curvatura remanescente, para ambas as fieiras com ângulo de 15° e 20°. Sendo assim, tais resultados evidenciam a elevada influência dos parâmetros estudados no aparecimento de distorções no produto final. / As with any manufacturing process, the quality of the final product must be coupled with cost optimization of the process, so you should know the factors that alter the properties of the product that may cause some unwanted influence. The drawing of steel bars is usually used to impart better dimensional accuracy and mechanical properties to the material. One of the major problems encountered in the manufacturing of axes through this process is the appearance of distortion of size and shape after heat treatment. Such distortions are directly linked to the accumulation of residual stresses generated during the stages of pre-straightening, shot blasting and drawing itself, modifying behavior and mechanical strength, residual stresses and resistance to fatigue and corrosion of parts. Therefore, this work aims to examine, through a computational numerical approach, the influence of material parameters and process the appearance of distortions in cold drawn steel bars AISI 1045, due to possible sources of residual stresses during the manufacture. The analysis of strains and residual stresses were performed by 3D numerical modeling of the drawing process, the software being used numerical simulation computational DeformTM. In order to transmit the drawing speed, the forms of grip were analyzed using a first end of the puller bar, the second wrapped with a puller moving along the bar. Since through these analyzes, it was found that as the shape of the bar is pulled up causes a reduction in the residual stress 100 MPa in the center of the bar, which is an important factor in the study of the possible causes of the distortion. As well as factors speed and homogeneity of lubrication significantly altered the profile of residual stresses in the bar. Other parameters, such as misalignment of the tool, friction differences, curvature and eccentricity of the axis of the bar were also evaluated, both of which significantly modify the distribution of residual stresses along the profile of the bar. It became evident that an efficient pre-straightening of the wire is important because the results of simulations show that the curvature with the drawing force and the distribution of residual stresses along the bar Cold Drawn Bars increase as well as the bar has some remnant curvature, for both dies with an angle of 15 ° and 20 °. Thus, these results demonstrate the high influence of the parameters studied distortions in the appearance of the final product.

O presente trabalho possui o objetivo de avaliar a aplicabilidade da metrologia em uma ferramenta de estampagem incremental de chapas. Para o estudo foi confeccionada uma ferramenta de estampagem com rebaixos em seu corpo cilíndrico para a fixação dos sensores que mediram a deformação relativa. As análises apresentadas nesta pesquisa representam os cuidados e processos necessários ao uso de extensômetros aliado a um processo de fabricação mecânica. No presente estudo define-se a calibração de um sistema de medição da deformação superficial da ferramenta de estampagem com auxílio da Extensometria. Para validar os resultados obtidos pelos métodos da instrumentação das medidas das deformações e forças no processo de estampagem incremental foram utilizados os métodos de Cálculos Analíticos e Simulação Numérica por meio de softwares de Elementos Finitos. No método de medida se considerou parâmetros que podem comprometer os valores medidos tais como a medida da temperatura utilizando equipamentos termovisor. Além disso, foram realizados 04 (quatro) ensaios preliminares com o intuito de avaliar a medição de forma satisfatória nos eixos X e Y do processo de estampagem incremental, efetuando análises das forças nesses eixos em tração e compressão. A estampagem incremental ocorreu por meio de um total de 09 (nove) Ensaios variando-se ângulo de parede (ψ) e espessura das chapas (s0). Os experimentos baseiam-se na variante de estampagem incremental denominada Estampagem Incremental de Ponto Simples (SPIF – Single Point Incremental Forming). Para a execução dos testes práticos foram utilizados recursos de hardware como Ponte Wheatstone, extensômetros, Termovisor, Centro de Usinagem CNC, matriz incremental, ferramenta de estampagem incremental e um dispositivo prensa chapas. Além de recursos de software CAD/CAM, DAQ (Data Acquisition System), Análise de Elementos Finitos. E recursos de cálculos analíticos como forma comprobatória de resultados. A partir dos procedimentos executados junto com aparato tecnológico foi possível efetuar as análises e medições das forças na ferramenta de estampagem incrementa com referência aos eixos X e Y. Demonstrando neste a aplicabilidade de extensometria para leitura e análise de forças no processo de ISF. / This present work has the objective of assessing the applicability of instrumentation science in an incremental forming tool. For this study was made a tool with recesses on its cylindrical body as a means of fixing the strain sensors. The study presented demonstrate some of the warning and processes required the use of Strain Gages combined with a mechanical manufacturing process. In the present study is defined as an acceptable calibration measuring system with the aid of Extensometry. To validate the results obtained by the methods of instrumentation measurements of the deformations and forces in incremental sheet forming process were used Analytical Calculations and Numerical Simulation using Finite Elements. The measurement method was considered parameters that can compromise the measured values such as temperature measurement devices using thermometer. In addition, we conducted four (04) preliminary tests in order to evaluate the measurement system in satisfactory form with measured variables such as X and Y axes. We analyses the traction and compression forces in both axes. After the preliminary step, was performed a total of nine (09) tests with incremental sheet forming process, varying wall angle (ψ) and the thickness (s0). The experiments are based on the Single Point Incremental Forming - SPIF. For the implementation of the practical tests were used hardware resources such as CNC Machining Center, Wheatstone Bridge, Strain Gauges, Thermal Imager, incremental matrix and incremental forming tool. Besides, we used softwares such as CAD/CAM, DAQ (Data Acquisition System) and Finite Element Analysis. From the technological procedures perform with apparatus was possible do carry out the analyzes and measurement of forces in incremental sheet forming tool increases about to the axes X and Y. Demonstrating the applicability of the extensometry for reading and analyzing forces in the ISF process.