Orientador : Prof. Dr. Ramón Sigifredo Cortés Paredes / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 10/07/2012 / Inclui referências : fls. 155-160 / Área de concentração: Manufatura / Resumo: Palhetas de turbinas a gás de termoelétricas operam em atmosferas agressivas com elevadas temperaturas e pressões. Uma técnica para aumentar sua vida útil ou mesmo a temperatura de trabalho é o uso de revestimentos do tipo barreira térmica (TBC), composto por uma camada cerâmica externa (top coat) sobre um revestimento de ligação metálico (bond coat), aplicados por aspersão térmica. O objetivo geral deste trabalho é aplicar, testar e caracterizar revestimentos TBC produzidos a partir das deposições de ligas comerciais, sendo para top coat três pós cerâmicos de zircônia estabilizada com ítria (YSZ): ZrO28%Y2O3, ZrO27%Y2O3 e ZrO27%Y2O31,7%HfO2; e para bond coat três ligas de níquel: Ni23%Co17%Cr12,5%Al0,45%Y, Ni5%Al e Ni22%Cr10%Al1%Y (% em peso), sendo que para depositar estes materiais foi utilizado os respectivos processos de aspersão térmica por plasma spray (APS) e de alta velocidade (HVOF). Dividido em duas etapas, onde na primeira foram feitos testes, onde o planejamento experimental permitiu estudar variação de parâmetros dos processos, o qual prevê um conjunto de tratamentos onde se pôde verificar a influencia destes parâmetros em relação a espessura de revestimento, microdureza, porosidade, fração em área de óxidos e aderência. Na segunda etapa foram preparados novos revestimentos com os parâmetros otimizados e nestes foram realizados testes desempenho em elevada temperatura, sendo estes a 1150 ºC por 4 e 16 horas. Os resultados mostram o desempenho dos revestimentos, sendo evidenciada a capacidade dos TBCs de suportarem as condições testadas em elevada temperatura sem apresentarem falhas por desplacamento. Palavras-chave: aspersão térmica, elevada temperatura, revestimentos de barreira térmica. / Abstract: Gas turbines blades for power plants operating in aggressive environments with high temperatures and pressures. One technique to increase their life or the working temperature is the use of thermal barrier coatings (TBC), composed of ceramic top coat on a metal bond coat, applied by thermal spray. The objectives of this work are: apply, test and characterize the coatings comprising a TBC. The materials used in the depositions are commercial, to top coat there is three of ceramic powders from yttria stabilized zirconia (YSZ): ZrO28%Y2O3, ZrO27%Y2O3 and ZrO27%Y2O31,7%HfO2; to bond coat there is three alloys nickel: Ni23%Co17%Cr12,5%Al0,45%Y, Ni5%Al and Ni22%Cr10%Al1%Y (wt.%). To deposit these materials was used the respective processes of plasma spray (APS) and high speed (HVOF). Divided in two stages, where in the first tests were made, the experimental planning allowed us to study variation of process parameters, which provides a set of treatments where possible to check the influence over the coating thickness, microhardness, porosity, oxide fraction area and adhesion. In the second stage new coatings were prepared with the optimized parameters, and these tests were conducted on high temperature performance, and performed at 1150 ° C for 4 and 16 hours. The results show the quality of coatings, which highlighted the capacity of TBCs to bearing the conditions tested at high temperature without show faults by spallation. Keywords: thermal spraying, high temperature, thermal barrier coating.

Orientador : Profª. Drª. Maria José Jerônimo de Santana Ponte / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 16/09/2016 / Inclui referências : fls. 61-63 / Área de concentração: Manufatura / Resumo: O processo de craqueamento catalítico fluidizado de uma refinaria de petróleo utiliza catalisadores que contem metais de alto valor agregado em sua estrutura, como os elementos de terras raras. Devido as severas condições de processo e contaminação da carga, estes catalisadores perdem sua atividade para o craqueamento ao longo do tempo e são descartados ou encaminhados para coprocessamento em fornos de cimento. A recuperação dos metais presentes nestes catalisadores desativados reduz a toxicidade do resíduo e apresenta nova fonte de matéria-prima. Estudos anteriores recuperaram 100 % dos metais terras raras, com pureza de ate 80 % via precipitação seletiva sobre efluente de lixiviação acida a quente de catalisador FCC contendo La, Ce e Ni. Este trabalho teve como objetivo realizar a recuperação de Lantânio via precipitação seletiva sobre efluente liquido da remediação eletrocinética de catalisador desativado utilizado em unidades brasileiras contendo La, Ni e V. Os resultados mostraram ser possível recuperar 99 % do Lantânio contido na solução efluente na forma de sais de duplo sulfato, com pureza de ate 95 %, através da elevação da temperatura da solução. Este processo envolve baixo custo de remoção de metais alem de manter preservada a estrutura do catalisador (reaproveitável em outro processo). Palavras chave: Terras raras. Lantânio. Catalisador FCC. Remediação eletrocinética. Precipitação seletiva. / Abstract: The fluid catalytic cracking process, from a petroleum refinery, request catalysts which have high-value metals inside of their framework, the rare earth elements, for example. Due to the severe FCC process conditions and the oil load contaminants, this catalysts lose their activity over the time and are discarded or used for co-processing in cement kilns. The metal recovery from the deactivated catalysts decreases its waste toxicity and presents a new source of raw material. Former researches recovered 100 % of the rare earth metals, with purity up to 80 %, by selective precipitation of an effluent derived from a heated acid leaching of a FCC deactivated catalyst containing La, Ce and Ni. This study aimed to recover Lanthanum by selective precipitation of an effluent solution derived from electrokinetic remediation of a deactivated catalyst used by Brazilian refineries, which contains La, Ni and V. The results revealed to be possible to remove 99 % of the La from the solution as double sulfate salts, with purity up to 95 %, by increasing the solution temperature. This process has low operational costs and preserve the catalyst structure (what allow it to be used in another process). Key words: Rare earth elements. Lanthanum. FCC catalyst. Electrokinetic remediation. Selective precipitation.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Alberto Bavastri / Coorientadores : Prof. PhD. Eduardo M. O. Lopes e Prof. PhD. Paulo Justiniano Ribeiro Junior / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 23/09/2016 / Inclui referências : f. 121-128 / Área de concentração : Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: Materiais viscoelásticos têm sido largamente utilizados em métodos passivos de controle de vibrações, devido à sua alta capacidade de dissipação de energia. A realização de projetos eficazes de controle de vibrações usando materiais viscoelásticos requer um conhecimento detalhado do comportamento dinâmico do material empregado. É necessário, em particular, identificar as suas propriedades dinâmicas, representadas pelo módulo real de elasticidade e seu correspondente fator de perda. Estas propriedades são obtidas através de um experimento em uma ampla faixa de temperaturas e frequências, devido à dependência das propriedades destes fatores. Trabalhos anteriores mostram que há uma significativa variabilidade nas propriedades dinâmicas. É proposta, então, abordagem bayesiana para a caracterização das propriedades dinâmicas de materiais viscoelásticos. Os resultados são obtidos de um experimento específico, onde amostras de um dado material foram testadas em diferentes temperaturas e frequências, gerando dados para a análise. O material é modelado, no domínio da frequência, por um modelo de derivada fracionária de quatro parâmetros. A influência da temperatura é considerada com a inclusão de modelos adicionais, a saber, o modelo descrito pela equação empírica de Williams-Landel-Ferry (WLF), com dois parâmetros e o modelo descrito pela equação teórica de Arrhenius, com um parâmetro. Para a análise bayesiana, são utilizadas distribuições a priori adequadas para os parâmetros, junto com a função de verossimilhança correspondente aos modelos empregados de modo a simular a distribuição a posteriori pelo método de Monte Carlo via Cadeias de Markov (MCMC). Após a análise dos diagnósticos de cadeia, para verificar a convergência, os valores simulados são apresentados de forma gráfica. Uma verificação do modelo preditivo também é exposta para comparar os resultados associados com os dados observados. Verifica-se que esta abordagem considera a incerteza do modelo composto fornecendo uma distribuição de probabilidade para cada parâmetro contemplado. Palavras-chave: Inferência Bayesiana. Distribuição de Probabilidade a Posteriori. Controle Passivo de Vibrações. Função de Verossimilhança. Material Viscoelástico. / Abstract: Passive vibration control methods have made large use of viscoelastic materials, due to their high capacity to dissipate energy. The design of efficacious vibration control devices using viscoelastic materials requires detailed knowledge of the corresponding dynamic material behavior. That is, it is essential to identify precisely the dynamic properties, represented by the real modulus of elasticity and the associated loss factor. These properties are obtained by conducting experiments in broad ranges of temperature and frequency since the properties are dependent on these factors. Previous work demonstrated significant variability in the dynamic properties so obtained. This work proposes the use of Bayesian inference approach to characterize the dynamic properties of a typical and well-known viscoelastic material. Results obtained in a specific experiment, where samples from the material were tested at different frequencies and temperatures, generated data for the investigation. The material is initially modeled, in the frequency domain, by the four parameter fractional derivative model. The temperature influence is then considered by introducing additional models, namely the empirical William-Landel-Ferry (WLF) equation, with two parameters, and the theoretical Arrhenius equation, with one parameter. Through the Bayesian approach, adequate prior distributions are used along with a specific likelihood function for the correspondent model. The resulting posterior distributions are obtained with the aid of Monte Carlo Markov Chain (MCMC) methods. After applying diagnostics for checking the convergence of the MCMC, simulated values from the posterior distributions are presented in plots. Posterior predictive checks are carried out to assess the model goodness of fit. This framework describes model uncertainty as expected by providing successfully a probability distribution for each model parameter. Keywords: Bayesian Inference. Posterior Probability Distribution. Passive Vibration Control. Likelihood Function. Viscoelastic Material.

Orientadora : Profª Drª Maria José Jerônimo de Santana Ponte / Coorientadora : Drª Renata Bachmann Guimarães Valt / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 03/02/2015 / Inclui referências : f. 67-71 / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: Os processos de refino de petróleo vêm sendo constantemente aprimorados com o objetivo de transformar frações pesadas do petróleo em frações mais leves e de maior valor agregado. Porém, devido a este avanço tecnológico, a indústria petroquímica tem gerado uma grande quantidade de resíduo. O resíduo que provém do processo de craqueamento catalítico de leito fluidizado é composto em sua íntegra pelo catalisador desativado que foi utilizado neste processo e que apresenta em sua composição química basicamente tetraedros de sílica e alumínio, terras raras, além de uma quantidade apreciável de níquel e vanádio oriundos do petróleo. Um dos principais contribuintes para a desativação do catalisador é o vanádio, pois este é ativo nas reações de desidrogenação, causando desta forma, o aumento na produção de coque. Desta forma, este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho da técnica de remediação eletrocinética para remoção de vanádio presente em catalisadores desativados utilizando um reator de leito fixo, promovendo assim, um aumento no ciclo de vida do catalisador. Neste trabalho foram avaliados parâmetros como concentração do eletrólito ácido sulfúrico e potencial aplicado, a fim de se determinar uma função resposta para o percentual de remoção do elemento de interesse. Em função da inexistência de modelos matemáticos que se adaptem ao sistema e de sua complexidade, optou-se pela utilização de técnicas estatísticas, o planejamento fatorial 2k com ponto central, para a obtenção das respostas desejadas. O ajuste da função foi realizado pelo método dos mínimos quadrados, sendo a significância dos coeficientes avaliada pelo teste t de Student. A qualidade da correlação ajustada foi verificada por meio do coeficiente de correlação múltipla ao quadrado (R2), teste F e análise de resíduos. Maior eficiência de remoção de vanádio foi observada, de maneira geral, em experimentos com maior valor de potencial aplicado associado a uma maior concentração de eletrólito e consequentemente menor valor de pH ao longo do tempo, resultando em um aumento de corrente durante experimento. A melhor condição de operação neste trabalho foi obtida quando se trabalhou com uma concentração de ácido sulfúrico de 1 mol.L-1 e potencial de 11 V. Palavras-chave: Catalisador. Craqueamento catalítico de leito fluidizado. Vanádio. Remediação eletrocinética. / Abstract: The oil refining processes have been constantly improved in order to transform heavy oil fractions into lighter fractions and higher added value. However, due to this technological advancement, the petrochemical industry has generated a lot of waste. The residue that comes from a fluidized bed catalytic cracking process consists in its entirety catalyst which has been deactivated by use in this process and which has in its chemical composition mainly tetrahedrons of silica and aluminum, rare earths as well as an appreciable amount of nickel and vanadium from oil. A major contributor to catalyst deactivation is vanadium, it is active in dehydrogenation reactions, thereby causing the increase in coke production. Thus, this study was aimed to evaluate the performance of the electrokinetic remediation technique for the removal of vanadium present in deactivated catalysts using a particulate bed reactor, thus promoting an increase in the catalyst life cycle. This study evaluated parameters such as concentration of the sulfuric acid electrolyte and applied potential in order to determine a response function to obtain the percentage of removal of the elements of interest. Because of the absence of mathematical models that adapt to the system and its complexity, we opted for the use of statistical techniques, the 2k factorial design with central point, to obtain the desired responses. The function of the adjustment was made by the method of least squares, and the significance of the coefficients assessed by Student's t test. The quality of the adjusted correlation was verified by the multiple correlation coefficient squared (R2), F test and residual analysis. Higher vanadium removal percentage was observed, in general, in experiments with higher applied potential value associated with a higher concentration of electrolyte and hence lower pH over time resulting in an increased current during the experiment. The best operating conditions of this study was obtained when working with a sulfuric acid concentration of 1 mol.L-1 and 11 V potential. Keywords: Catalyst. Fluidized bed catalytic cracking. Vanadium. Electrokinetic remediation.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Alberto Bavastri / Coorientador : Prof. Dr. Juan Elías Perez Ipiña / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 16/11/2017 / Inclui referências : f. 81-86 / Resumo: Vários avanços na área de monitoramento de integridade estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring) e em técnicas de identificação de trincas foram alcançados nos últimos anos. Apesar disso, o uso destas técnicas para identificação de trincas em vigas em aplicações industriais ainda é discreto. Algumas razões podem ser apontadas para explicar este fato: alguns métodos propostos são inviáveis de um ponto de vista econômico ou logístico; as trincas são detectadas apenas quando elas já apresentam uma profundidade avançada; as estruturas a serem monitoradas estão sujeitas a carregamentos aleatórios, fazendo com que os métodos que usam excitações determinísticas não sejam representativos da situação real. Considerando este cenário, o objetivo deste trabalho é propor um método que possibilite a identificação e o monitoramento de trincas em vigas com um viés em condições operacionais, isto é, um método que identifique pequenas trincas remotamente e em tempo quase real, em vigas sujeitas a carregamentos quaisquer, com apenas um único acelerômetro. Para alcançar este objetivo, o método proposto combina um procedimento experimental baseado em uma análise modal operacional (AMO), um modelo numérico-computacional da viga danificada criado com o método dos elementos finitos (MEF) e um problema de otimização, resolvido através dos algoritmos genéticos (AG). O método foi testado sobre uma viga de aço, na qual trincas de diferentes profundidades foram inseridas. Um outro método, previamente proposto pelo mesmo grupo de pesquisa, foi replicado com o objetivo de identificar o dano na mesma viga. Este procedimento permitiu uma comparação direta entre os dois métodos. Os resultados mostraram que a posição e a profundidade da trinca podem ser determinadas pelo método atual com uma exatidão apropriada para muitas aplicações de engenharia. O método proposto tem várias vantagens sobre o anterior, já que ele identifica o dano em todos os casos estudados, é menos suscetível a erros experimentais, é mais aplicável quando as estruturas monitoradas estão localizadas em locais de difícil acesso e necessita de menos equipamentos. As limitações atuais sobre o seu uso também são discutidas. Palavras-chave: Identificação de trincas. Análise modal operacional (AMO). Monitoramento de integridade estrutural (SHM). Algoritmos genéticos (AG). / Abstract: Several advances in the Structural Health Monitoring (SHM) field and in crack identification techniques were achieved in recent years. Nonetheless, the use of those techniques for crack identification in beams for industrial applications is still modest. A few reasons can be pointed to explain this fact: some proposed methods are unfeasible from the economic or logistic point of view, or the cracks are only detected when they already present an advanced depth, or the structures intended to be monitored are subjected to random loads, causing the methods using deterministic excitations to be unrepresentative of the actual situation. Considering that, the objective of this study is to propose a method that makes it possible to identify and monitor cracks in beams aiming at operational conditions, i.e., a method to identify small cracks remotely and almost in real time, in beams subjected to unknown loading, minimizing the measurement equipment used to a single accelerometer. To achieve so, the proposed method combines an operational modal analysis (OMA) based experimental procedure, a numerical-computational model of the damaged beam using the finite element method (FEM) and an optimization problem, solved by using the genetic algorithm (GA). The method was tested on a steel beam, into which cracks with different depths were inserted. Another method, previously proposed by the same research group for crack identification, was replicated, aiming at identifying the damage on the same beam. This allowed a direct comparison between the two methods. The results have shown that crack position and depth can be determined with appropriate accuracy by the current method for many engineering applications. The proposed methodology has several advantages over the previous one, since it identifies the damage in all the studied cases, is less susceptible to experimental errors, is more applicable when the monitored structures are set in difficult access places and requires less equipment. The current limitations on its use were also discussed. Key-words: Crack identification. Operational modal analysis (OMA). Structural health monitoring (SHM). Genetic algorithm (GA).

Orientadora : Profª. Drª. Thais Helena Sydenstricker Flores-Sahagun / Coorientador : Prof. Ramón Sigifredo Cortés Paredes / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 22/12/2016 / Inclui referências : f. 97-102 / Resumo: Durante anos, o mercado de plásticos tem apresentado altas taxas de crescimento e o desenvolvimento contínuo de plásticos modernos estabeleceu novos segmentos de mercado. Para a indústria automotiva e de engenharia de tráfego em geral, aplicações que utilizam plásticos leves estão em rápido crescimento. A metalização de plásticos é um processo comercial bem estabelecido que é utilizado em uma variedade de aplicações que vão desde a microeletrônica (por dispositivos de embalagem) até a indústria aeronáutica. Um material polimérico revestido de aço inoxidável, por exemplo, iria abrir novas e inovadoras possibilidades técnicas para a concepção de componentes com propriedades químicas, térmicas e mecânicas especiais que de outro modo seriam produzidos a um custo elevado, uma vez que o aço inoxidável é um material bonito e relativamente durável, no entanto é caro e mais difícil de moldar em comparação com os polímeros. Polímeros são fáceis de moldar, tem alta resistência à corrosão, são leves e quando metalizado adquirem algumas propriedades e aparência de metais. O objetivo deste trabalho é a obtenção de revestimentos de aço inoxidável em substratos poliméricos de nylon e polipropileno por meio de aspersão térmica. Nesta tese foram desenvolvidas camadas de ligação à base de resina epóxi (com ou sem preenchimentos) utilizando alumínio em pó em suas superfícies, as quais agiam como superfície de ancoramento para as partículas de aço inox aspergidas, resolvendo o problema do baixo módulo elástico superficial dos substratos. Foram observadas falha adesiva e microtrincas nas camadas de ligação devido à diferenças no coeficiente de expansão térmica do substrato e do revestimento, e também devido as tensões residuais geradas pelos processos de ciclos térmicos de aquecimento e resfriamento. No entanto, o uso do poli(cloreto de vinila) - PVC como substrato aliada à camada de ligação desenvolvida resultou na obtenção de revestimentos de aço inox promissores, devido à maior compatibilidade termomecânica entre ambos. Palavras-chave: Aspersão térmica. Polímeros. Camada de ligação. Aço inoxidável. / Abstract: For years, the plastics market has experienced high rates of growth and the continuous development of modern plastics set new market segments. In many applications, the present plastics are an alternative to the ceramic or vitreous materials. For the automotive industry and traffic engineering in general, applications using lightweight plastics are rapidly growing. The metallization of plastics is a well established commercial process which is used in a variety of applications ranging from microelectronics (for packaging devices) to the aircraft industries. A coated stainless steel polymeric material, for example, would open new and innovative technical possibilities for the design of components with special chemical, thermal and mechanical properties that would otherwise be produced at high cost, since stainless steel is a good-looking material and relatively durable, however expensive and more difficult to mold as compared with the polymers. Polymers are easy to shape, have high corrosion resistance, are lightweight and when metallized acquire some properties and appearance of metals. The objective of this work is to obtain stainless steel coatings on polymer substrates of nylon and polypropylene by means of thermal spraying. In this thesis, epoxy resin bond coats (with or without fills) were developed using powdered aluminum on their surfaces, which acted as an anchoring surface for the sprayed stainless steel particles, solving the problem of the low elastic modulus in the surface of the substrates. Adhesive failure and microcracks were observed in the bond coat due to differences in the coefficient of thermal expansion of the substrate and the coating, and also due to the residual stresses generated by the thermal cycling processes of heating and cooling. However, the use polyvynil chloride -PVC as a substrate allied to the developed bond layer resulted in the achievement of promising stainless steel coatings due to the greater thermo- mechanical compatibility between the two. Keywords: Thermal spraying. Polymers. Bond coat. Stainless steel.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 15/09/2014 / Inclui referências / Resumo: Motores-foguete são propulsores com alta taxa de consumo de propelentes. Em veículos lançadores o peso de propelente fica geralmente na faixa de 80% a 90% de seu peso total. Aumentar a carga útil significa a necessidade de mais propelente, mais estrutura, e maior peso do veículo. Essa restrição justifica trabalhos para melhorar o desempenho do motor-foguete, sendo uma vertente deles o desenvolvimento de tubeiras mais eficientes. A literatura é extensa nas formas de obter um perfil divergente da tubeira que gere empuxo máximo, ou ainda a avaliação da influência do raio de curvatura da garganta, entre outros, porém poucos são os trabalhos que analisam o efeito da seção convergente na geração de empuxo. Neste trabalho é feita uma avaliação numérica da influência da seção convergente sobre o coeficiente de empuxo, o impulso específico, e o coeficiente de descarga de uma tubeira operando no vácuo. Para validação da solução numérica são utilizadas duas tubeiras cujos resultados experimentais estão disponíveis na literatura. As geometrias do convergente testadas são de tubeiras que têm os mesmos raios de garganta e de curvatura da garganta na região do divergente, além do mesmo comprimento do divergente e mesmas razões de áreas, tanto na entrada quanto na saída da tubeira. O fluido utilizado é o ar, modelado como gás termicamente perfeito, mas caloricamente imperfeito. O modelo físico considera a solução das equações de Euler com paredes adiabáticas. O perfil é axissimétrico em coordenadas generalizadas e a malha gerada na discretização é estruturada. O método dos volumes finitos é usado para discretização das equações que representam o fenômeno. A aproximação para termos advectivos é de primeira ordem e de segunda ordem para os termos difusivos e de pressão. O regime é permanente. As soluções numéricas mostram que a geometria do convergente pode variar em até 2,5% os coeficientes de empuxo e de descarga, com pouca variação do impulso específico. O raio de curvatura na garganta na parte do convergente é o fator de maior impacto no empuxo, seguido da inclinação do convergente. Já o raio de curvatura na transição da câmara de combustão/plenum para o convergente tem efeito pouco significativo. Palavras-chave: Bocal convergente-divergente. Tubeira. Verificação. Validação. Dinâmica dos fluidos computacional (CFD). / Abstract: Rocket engines are propellers with high consumption rates of propellants. In launch vehicle the weight of propellant is generally in the range of 80% to 90% of its total weight. Heavy payloads require more propellant mass which means more structure and larger total vehicle weight. This motivates researches to improve the performance of rocket engines, and the development of high performance nozzles. The literature is extensive on methods to obtain divergent nozzle profile to generate maximum thrust, or the evaluation of the influence of the radius of curvature at the throat, among others. However there are relatively few studies about the effect of the convergent section of a nozzle to generate high thrust. This work numerically evaluates the influence of the convergent section on the coefficient of thrust, specific impulse, and the discharge coefficient of nozzle operating in a vacuum. Two nozzles are used to validate the numerical solution, which experimental results are available in the literature. The geometry of the convergent tested are part of nozzles who have the same throat radius and radius of curvature at the throat in the divergent region, same divergent section length and same area ratio at the inlet and at outlet of the nozzle. The fluid used is air, modeled as thermally perfect, but calorically imperfect. The physical model considers the solution of the Euler equations and adiabatic walls. The profile is axisymmetric in generalized coordinates and the mesh generated in the discretization is structured. The finite volume method is used for discretization of the equations that represent the phenomenon. The approach to convective terms is first order and second order for the diffusive terms and pressure. The regime is steady. The numerical solutions show that the geometry of the convergent may vary by up to 2.5% coefficients of thrust and discharge, with little variation in specific impulse. The radius of curvature at the throat of the convergent is the biggest factor in thrust, followed by the slope of the convergent. The radius of curvature at the transition from the combustion chamber / plenum to convergent has little significant effect. Key-words: Convergent Divergent Nozzle. Nozzle. Verification. Validation. Computational Fluid Dynamics (CFD).

Orientador : Prof. Dr. Paulo Victor Prestes Marcondes / Co-orientador : Prof. Dr. Ravilson Chemin Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 20/05/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Manufatura / Resumo: Para se produzir peças estampadas de qualidade, com baixo custo e otimização do processo, se faz necessário uma compreensão da conformabilidade de chapas metálicas. Esta conformabilidade é difícil de ser prognosticada em virtude dos vários parâmetros que influem no processo de estampagem como geometria do ferramental, material, força do prensa-chapas, condições de lubrificação e outros. Durante testes de ferramentas de estampagem é necessário o ajuste desses parâmetros a fim de se otimizar o processo. Ensaios de estampagem se fazem necessários para se determinar a curva limite de conformação do material (ensaio Nakazima) que prevê a máxima deformação que o material sofre até o instante em que ocorre a ruptura, sendo assim uma ferramenta de grande importância na otimização do processo de estampagem, proporcionando segurança para que o produto seja fabricado sem apresentar falhas. O objetivo deste trabalho é estudar a influência da força do prensa-chapas na conformabilidade do aço HSLA440, de muito uso de componentes automotivos. Pelos resultados obtidos verificou-se que existe uma força crítica no prensa-chapas abaixo da qual a uma perda da conformabilidade do aço HSLA440 e acima um ganho na conformabilidade do mesmo. Como conclusão do trabalho, pode-se afirmar que a força do prensachapas é altamente significativa na conformação desse aço, pois o seu ajuste correto pode levar a um ganho considerável na conformabilidade do material, permitindo a produção satisfatória de peças com maior grau de complexidade sem riscos de falhas. Palavras-chave: Estampagem. Curva CLC. Prensa-Chapas. / Abstract: In order to produce stampings of quality, with low cost and process optimization, an understanding of the material formability is needed. This formability is difficult to be predicted because of various parameters that influence the process of stamping: as tooling geometry, material strength, blank-holder force (BHF), lubrication conditions and others. During the developing of stamping tools to adjust these parameters in order to optimize the process is necessary. The material Forming Limit Curve (FLC) – obtained by Nakazima test – can provides the maximum strain that the material suffers until the moment when the rupture occurs. The FLC is a very important tool for the optimization of the stamping process since can provides the product manufacture without fail. The objective of this work was to study the influence of the blank-holder force during forming of HSLA440 steel sheets. Experimental tests for material characterization and forming Nakazima tests were performed using the high-strength HSLA440 steel. In this study the FLC was obtained by Nakazima tests with almost complete locking of the material flow using the peak force of the hydraulic press (1002 kN) and thereafter varying the BHF level. For each value of used load the major true strain were measured and compared to FLC obtained by the Nakazima test. From the results obtained it was found that there is a critical force in the BHF that below this load a loss in the HSLA440 steel formability was found. It can be stated that the blank-holder force parameter is highly significant for the forming of this steel as the correct load can propitiate a considerable gain on material formability, i. e., allowing satisfactory production of parts with higher degree of complexity without risk of failure. Keywords : Stamping. FLC curve . Blank-holder.

Orientador : Prof. Dr. Carlos Henrique Marchi / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 25/08/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da parte divergente de motores-foguete operando no vácuo. Para isto, foram realizadas simulações com o código computacional Mach2D. Nestas simulações o regime de escoamento simulado foi invíscido, de um fluido compressível, contínuo, não reativo, termicamente perfeito, bidimensional axissimétrico. Foi avaliado o efeito da parte divergente das 3 seguintes formas: (1) para uma razão de expansão fixa e comprimento do divergente fixo (envelope fixo), (2) para uma razão de expansão variável (com ângulo cônico equivalente variando de 10 a 30°) e comprimento do divergente fixo e (3) para uma razão de expansão variável e comprimento do divergente livre (foram simulados 3 comprimentos de tubeira diferentes: 196,08; 215,63 e 235,56 mm). Os dados de entrada da tubeira foram os mesmos utilizados na validação do código computacional, dados obtidos de um artigo de uma equipe do Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA (National Aeronautics and Space Administration): escoamento de ar aquecido com pressão de estagnação de 17,25 bar, temperatura de estagnação de 833 K, razões de compressão e expansão de 9,76 e 6,63 respectivamente e ângulos do convergente e divergente de 44,88 e 15,11° respectivamente. Também, foram testados e analisados 7 diferentes geometrias de divergente de motores-foguete utilizados em espaçomodelos, os motores testados utilizam pólvora negra como propelente e tubeiras feitas em cerâmica. As razões de expansão experimentais médias foram de: 1,1; 1,4; 2,0; 2,8; 5,6; 18; 6,4, as primeiras 5 tubeiras são cônicas, a penúltima é parabólica tipo corneta (padrão do fabricante) e a última é parabólica tipo sino. Analisando os resultados das simulações, o melhor tipo de geometria para um envelope fixo é a logarítmica, existe uma razão de expansão que resulta em empuxo ótimo no vácuo e o ângulo equivalente cônico ótimo é de 20°, e segundo as análises dos motoresfoguete de espaçomodelos, os gases atingem expansão ótima independente da razão de expansão utilizada (o erro é de no máximo 2%). Palavras-chave: Motores-foguete. Espaçomodelos. Efeito do divergente. Dinâmica dos Fluidos Computacional. Propulsão de foguetes. / Abstract: The objective of this work was the evaluation of the effect of the divergent part of rocket engines working at the vacuum. For that, numerical simulations were performed using the Mach2D software. At these simulations, the simulated flow type was inviscid, of compressible gas, continuum, not reactive, thermally perfect, bidimensional axisymmetric. The effect was analyzed by 3 different ways: (1) with a fixed expansion ratio and fixed length (fixed envelope), (2) with a variable expansion ratio (with conical equivalent angle of 10° up to 30°) and fixed length and (3) with a variable expansion ratio and free length (3 different length were simulated: 196,08; 215,63 and 235,56 mm). The used data at the nozzle inlet were the same used at the validation of the numerical code, these data were obtained from an article of a team of the Jet Propulsion Laboratory (JPL) of NASA (National Aeronautics and Space Administration): heated atmospheric air flow with a stagnation pressure of 17,25 bar, stagnation temperature of 833 K, compression and expansion ratios of 9,76 e 6,63 respectively and converging and diverging angles of 44,88 e 15,11° respectively. Other work performed was to test and analyze 7 different types of divergent geometry used in spacemodel rocket engines, the tested rocket engines used black powder as propellant and the nozzles were made in ceramic. The experimental average expansion ratios were: 1,1; 1,4; 2,0; 2,8; 5,6; 18; 6,4, the first 5 nozzles used conical divergent, the penultimate one was parabolic trumpet type and the last was parabolic bell type. Analyzing the simulation results, the best geometry type for the fixed envelope was the logaritmic, there is na expansion ratio that results in an optimal thrust at the vacuum and the equivalent conical angle is 20° and by the analysis of the rocket engines used in spacemodels, the exaust gases reach optimal expansion independently of the used expansion ratio (the error is up to 2%). Keywords: Rocket engines nozzle. Rocket Models; Divergent effect. Computational Fluid Dynamics. Rocket propulsion.

Orientadora : Profª. Drª. Maria Lucia L. R. Okimoto / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa: Curitiba, 29/08/2014 / Inclui referências / Área de concentração: Fenômenos de transporte e mecânica dos sólidos / Resumo: As medidas da cabeça humana analisadas para dimensionar artefatos que a protegerão de possíveis acidentes estão associadas apenas à sua circunferência, largura e comprimento máximo. Porém, ao analisar a cabeça em uma imagem tridimensional, percebe-se uma geometria muito mais complexa, fazendo com que esses parâmetros possam ser inadequados ou insuficientes na categorização de sua antropometria. Na área militar, estudos relatam que aproximadamente a metade das mortes nos campos de batalhas é devida a projéteis deflagrados na cabeça do soldado. Isso leva a pensar que, em muitos momentos, a vítima não usava, no momento do incidente, o capacete balístico. No entanto, outros estudos mostram que este artefato após poucos minutos, em uso contínuo, torna-se pesado e instável para muitos usuários. Dessa forma, este trabalho objetivou a pesquisa das possíveis variáveis dimensionais, na região do assentamento e fixação do capacete balístico, fazendo correlações com outras dimensões utilizadas atualmente. Diagnosticou-se através de análise fotogramétrica que a altura da cabeça humana, que ainda hoje não havia sido analisada, é maior que a do artefato em questão, capacete balístico modelo PASGT (Personal Armor System Ground Troops). Sendo assim, ao dimensionar o tamanho de capacete adequado ao usuário, através do perímetro máximo de sua cabeça, essa medida não é a mesma quando verificada a circunferência na região de assentamento do capacete. Dessa maneira, foi estruturado um experimento, por escaneamento tridimensional, para comprovar o resultado preliminar discutido anteriormente. Nele, verificou-se que em 58% dos casos o usuário precisaria de um capacete de tamanho menor que o especificado pelo método atual. Ou seja, o atual método de seleção do tamanho de capacete ao usuário não condiz com a necessidade do mesmo. Palavras-chave: Cabeça Humana. Antropometria. Capacete Balístico. Fotogrametria e Escaneamento tridimensional. / Abstract: The measures examined of the human head, used to scale artifacts that protect it from possible accidents, are only associated with its circumference, width and maximum length. However, when analyzing the head in a three-dimensional image, it has a more complex geometry, so that these measures may be inadequate or insufficient in categorizing its anthropometry. In military field, studies report that approximately half of the deaths in the battle fields is due to projectiles triggered in the mind of the soldier. This suggests that in many instances the victim would not use the ballistic helmet. However, other studies show that this artifact, after a few minutes in continuous use, becomes heavy and unstable for many users. Thus, this study aimed to survey the possible dimensional variables in the settlement and attachment of ballistic helmet region, making correlations with other measures currently used. It was diagnosed by the height photogrammetric analysis of the human head, which still had not been analyzed, that it is larger than the device in question. Thus, by scaling the appropriate size to the helmet user, the measure for this is not the same when found in the region of origin of the helmet. Thus, another experiment was generated by three-dimensional scanning, to confirm the preliminary results discussed above. In this experiment, it was found that in 58% of cases the user would need a smaller helmet than the size specified by the current method. That means that the current method of selecting the helmet size the user does not match the need of it. Key words: Human Head. Complex Geometry. Anthropometry. Ballistic Helmet and Photogrammetry.