Orientador: José Roberto de França Arruda / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T12:34:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pugliese_DanielPerussi_M.pdf: 5689260 bytes, checksum: fc23e46a7c6b4785faef7e0a5f83078f (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A não uniformidade em pneus esta associada com o seu processo de fabricação e afeta todos os tipos de pneus, mas é mais relevante em pneus de veículos de passeio, dado que este setor exige elevados níveis de conforto a altas velocidades. As forças dinâmicas devido à rotação dos pneus variam de acordo com a velocidade do veículo. Em certas velocidades podem excitar frequências naturais do sistema pneu-suspensão. Este trabalho explora os efeitos dinâmicos das não uniformidades de um conjunto de pneu-roda de um veiculo de passeio. Seu impacto sobre as forças da roda nas direções radiais, transversais e longitudinais, em baixas e altas velocidades são investigados tanto numérica quanto experimentalmente. A principal contribuição deste trabalho é a geração de um modelo tridimensional dinâmico para o estudo da não uniformidade. O modelo é construído utilizando o método dos elementos finitos. A validação do modelo é realizada utilizando-se o modelo de pneu comercial mais amplamente utilizado, e com uma campanha experimental significativa. Os resultados numéricos preveem os principais efeitos observados experimentalmente da não uniformidade do conjunto pneu-roda no sentido vertical e longitudinal. Este último predominante a elevadas velocidades. O modelo numérico é útil para a análise dinâmica virtual de diferentes tipos de não uniformidade / Abstract: Tire non-uniformity is associated with the production process and affects all types of tires, but is more relevant for passenger tires, as this sector requires high levels of comfort at the high speeds achieved by vehicles in this segment. Dynamic forces due to tire rotation vary with the vehicle speed. At certain speeds they can excite natural frequencies of the tire-suspension system. This work explores the dynamic effects of non-uniformities of a car tire-wheel assembly. Their impact on hub forces at the radial, lateral and longitudinal directions, at low and high speeds are investigated both numerically and experimentally. The main contribution of this work is the generation of a dynamic three-dimensional model for the study of tire non-uniformity. The model is built using the Finite Element Method. The model is validated with the most widely used commercial tire model and with a significant experimental campaign, which is also described in the paper. Numerical results predict the main experimentally observed effects of non-uniformity of the tire-wheel assembly in the vertical and longitudinal directions. The latter predominate at higher speeds. The numerical model is helpful for the virtual dynamic analysis of different types of non-uniformity / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Renato Pavanello / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T11:58:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Calixto_TainanKhalilLeite_M.pdf: 15775150 bytes, checksum: e5e4d45becc32f922a1fd31b8f9bd3ab (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: A utilização de materiais de alta performance se tornou uma realidade em diversos campos da engenharia, como na indústria automotiva e aeroespacial, devido aos avanços nas técnicas de manufatura aditiva. Por outro lado, sabe-se que a otimização topológica estrutural é uma ferramenta de desenvolvimento de estruturas com ampla aplicação industrial. Dentre os vários métodos de otimização topológica existentes, a otimização estrutural evolucionária tem se destacado pela sua versatilidade, podendo ser utilizada em diversos tipos de problemas de engenharia. Na tentativa de combinar esses campos, este trabalho consiste no estudo do método de otimização evolucionária BESO (Bi-directional Evolutionary Structural Optimization) aplicado a sistemas bidimensionais multiescala a fim de se projetar as topologias ótimas, em ambas as escalas, de uma estrutura. A análise do modelo multiescala é feita através do método da homogeneização, onde o padrão do material microestrutural é considerado periódico. O algoritmo implementado pode buscar dois objetivos distintos: a minimização da flexibilidade média, que resulta na maximização da rigidez global; ou a maximização da frequência fundamental. Resultados numéricos do algoritmo são apresentados para o projeto de materiais, onde apenas a microestrutura é otimizada, e de estruturas, na qual otimiza-se as topologias nas duas escalas. Para a análise do desempenho do método de otimização multiescala, são propostos um índice de eficiência estrutural e uma metodologia de fabricação de estruturas periódicas / Abstract: High-performance materials utilization became a reality in many fields of actual engineering, such as in automotive and aerospace industries, due to advances in additive manufacturing techniques. In the other hand, structural topology optimization is a powerful tool for the structure development with wide industrial application. Among the various optimization methods, evolutionary structural optimization stands out for its versatility and it can be used in many engineering problems. As an attempt to combine these fields, this work intends to study the Bi-directional evolutionary Structural Optimization method applied to two-dimensional multi-scale systems in order to design the optimal topologies of structures in both scales. The analysis of multi-scale model is made using the homogenization method, where the pattern of the micro-structural material is considered periodic. The implemented algorithm can use two different objective function: mean compliance minimization, which results in maximizing the global stiffness; or fundamental frequency maximization. Numerical results are presented for material design, where only the micro structure is optimized, and for structural design, in which the topologies in both scales are optimized. Deepening the study in multiscale optimization, it is proposed an index to analyse the structural efficiency and also a manufacturing methodology of periodic structures / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho é estudado um motor trifásico de ímã permanente no rotor, com fluxo não senoidal, através da análise do campo magnético. Essa máquina foi projetada utilizando-se a estrutura ferromagnética do estator de um motor de indução monofásico de 24 ranhuras o qual recebeu um novo enrolamento trifásico, e foi construído o rotor que é constituído de ímãs permanentes em sua superfície. Ela é aplicada em compressores herméticos de refrigeração, possibilitando o controle de velocidade e a melhoria da eficiência, quando comparada às demais máquinas utilizadas para a mesma aplicação. O estudo é realizado através da análise dos resultados obtidos utilizando-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos, aplicado em grandezas como: tensão induzida, densidade de fluxo magnético, torque eletromagnético e perdas. São apresentados resultados numéricos comparativos para a máquina existente (protótipo) com as seguintes alterações: diminuição do tamanho do entreferro, troca dos ímãs de ferrita pelos de NdFeB (Bonded) e, juntamente com essas mudanças, o recálculo do número de espiras e do diâmetro do enrolamento do estator. / In this work is studied a three-phase permanent-magnet motor, with nonsinusoidal flux, through the analysis of magnetic field. This machine was designed to use the same stator of a 24 slots single-phase induction motor that received a new three-phase winding. The rotor consists of permanent-magnet on its surface. The main application of this machine is in hermetic compressor household refrigeration systems. It has speed control and better efficiency than other machines used for the same application. The study is made through the analysis of numerical results, obtained by a software joint in the finite element method. The results consist in electromagnetic quantity like, back-emf, magnetic flux density, electromagnetic torque and losses. Comparisons between the prototype with these changes are presented: fall in the size of airgap, exchange of ferrite magnets for NdFeB (Bonded) magnets and, together with these changes, the number of turns in each winding and the wire diameter are recalculated.

El presente estudio trata sobre el análisis del agrietamiento en vigas de concreto sujetas a cargas monotónicas a través de un cálculo pseudo-estático. El fundamento teórico se basa en el Método de Grietas Dispersas (Smeared Crack Approach) de la Mecánica de Fractura, el cual será evaluado dentro de un algoritmo de análisis considerando el Método de Elementos Finitos. El objetivo principal es proponer un modelo computacional para el cálculo de deflexiones instantaneas y la modelación del agrietamiento en vigas de concreto armado sometidas a cargas de servicio. Con este propósito, se evaluaron las vigas analizadas por diversos autores. Los resultados del estudio se presentan mediante curvas fuerza-desplazaminto, la secuencia de propagación del agrietamiento y la evaluación de la resistencia última. Se consideró un modelo frágil de esfuerzo y deformación en la grieta. De esta manera, para los elementos analizados, se demostró que el modelo utilizado es capaz de predecir adecuadamente el proceso de agrietamiento y de calcular las deflexiones instantáneas en vigas de concreto, teniendo en cuenta resultados experimentales existentes. / The present study deals with cracking analysis of concrete beams under monotonic loadings by means of a quasi-static evaluation. The theoretical basis herein used is lies on the Fixed Smeared Crack Approach taking into account Fracture Mechanics within a Finite Element algorithm for the numerical solution of the problem. The main objective is to propose a computational model for the calculus of instantaneous deflection and the simulation of cracking in concrete beams under service loadings. On this purpose, diverse beams evaluated by may authors where analyzed. The results of this study cases are presented through and force-displacement curves, cracking propagation and the evaluation of the ultimate resistance of the beam. Within the computational algorithm, a fragile crack stress-strain relation was implemented. On this way, for the analyzed elements it was demonstrated that the model herein used can predict adequately cracking processes and instantaneous deflections of concrete beams considering existing experimental results. / Tesis

La finalidad de esta experiencia consiste en estudiar y efectuar comparaciones sobre el comportamiento sísmico estructural de dos muros de albañilería confinada, uno con peralte de columna de confinamiento de 20 cm (cubriendo el 17 de la longitud del muro) y el otro de 40 cm (cubriendo el 33 de la longitud del muro). Ambos muros presentarán conexión a ras con chicotes cada dos hiladas. Se busca además estudiar y establecer una comparación de los efectos que se producen en las interfases columnaalbañilería de cada uno de los muros. Los dos muros serán sometidos a ensayos de carga lateral cíclica con desplazamiento controlado. Además se procederá a realizar un análisis teórico mediante elementos finitos sobre el comportamiento de los dos muros de albañilería confinada. Para este estudio se optará por recurrir a valores tradicionales de las propiedades físicas y mecánicas de la albañilería confinada.

El presente proyecto de tesis consiste en la simulación numérica de un proceso de soldadura, para tal fin se desarrolla un modelo termo-mecánico tridimensional con prescripción de temperatura basado en la hipótesis de desacople del proceso de soldadura en tres grandes campos (campo de temperaturas, campo de esfuerzos y deformaciones y campo de estado microestructural) y la influencia mutua que existe entre ellos. Se llevan a cabo dos estudios, primero un estudio térmico transitorio con el fin de obtener la historia térmica, la misma que luego servirá como carga externa (información de entrada) para el estudio mecánico no lineal, con el fin de alcanzar el principal objetivo que es conocer la historia de esfuerzos a lo largo del proceso y la magnitud de los esfuerzos residuales.

Debido a la alta actividad sísmica de la costa peruana, a la magnitud de los eventos sísmicos que se presentan y especialmente a las nuevas herramientas disponibles, los análisis dinámicos vienen cobrando mayor importancia en los diseños y análisis de estructuras en general. La presente tesis evalúa dinámicamente la estabilidad de los taludes de la Costa Verde en el distrito de Miraflores por el método de elementos finitos, al modelar secciones críticas de estos taludes en el programa GeoStudio 2004 (mediante sus aplicaciones QUAKE/W y SLOPE/W) y someterlos a la acción de cuatro sismos. Los sismos seleccionados, los mayores eventos de los años 1966, 1970, 1974 y 2006 cerca al lugar de análisis, fueron ingresados a GeoStudio 2004 en forma de registros de aceleraciones y tras ser aplicados al modelo numérico creado, fueron utilizados para determinar las resistencias post-sísmicas y las deformaciones permanentes en las secciones evaluadas. Estos resultados permitieron obtener un entendimiento general del comportamiento de los taludes durante y después del sismo, así como observar el efecto del mismo en la estabilidad de las estructuras analizadas. Como complemento a esta tesis se realizó un manual sobre el análisis dinámico de estabilidad de taludes por elementos finitos con GeoStudio 2004 (incluido en los anexos).

En este trabajo se presenta un procedimiento para el estudio de impacto de sólidos deformables mediante la simulación por software de elementos finitos. Para desarrollar el mencionado procedimiento, se realizó inicialmente un estudio de los diferentes métodos analíticos, computacionales y experimentales relacionados con este fenómeno. Con el estudio de los métodos analíticos, se resolvieron problemas básicos de impacto longitudinal, transversal y torsional en vigas con diferentes objetos proyectiles. Adicionalmente, mediante el estudio de los métodos computacionales, se realizaron las simulaciones de los mismos problemas básicos utilizando el software de elementos finitos ANSYS v14. Los resultados obtenidos mediante simulación fueron comparados con los resultados de los métodos analíticos y de otros autores encontrando que los métodos computacionales brindan resultados más confiables debido a que consideran efectos geométricos, inerciales, y no lineales. Adicionalmente, se encontró que para impactos a bajas velocidades el método de integración implícita en el tiempo es el más adecuado y el explícito lo es para impacto a altas velocidades. Finalmente, se determinó que para analizar el fenómeno de impacto es necesario conocer las frecuencias naturales y modos de vibración del sistema. Estas propiedades definen los parámetros de simulación por software de elementos finitos tales como el incremento del paso de tiempo (Time Step) y tiempo de simulación (End Time). Así, con lo anteriormente mencionado, se elaboró el procedimiento tomando en cuenta el pre-procesamiento, solución y postprocesamiento del problema. El mencionado procedimiento presenta detalles del modelo matemático que se debe desarrollar, del análisis del comportamiento dinámico del modelo desarrollado, de la elección del algoritmo implícito o explícito para la solución del problema y de la revisión de los resultados obtenidos para refinar el análisis. Como ejemplo de aplicación del procedimiento desarrollado se estudia una estructura FOPS (Falling Object Protective Structure) obteniendo resultados esperados de deformación plástica.

Esta tesis desarrolla la simulación del proceso de fundición de un elemento cilíndrico con el programa de elementos finitos Vulcan 8.0, a la par de la ejecución real de la misma pieza en el laboratorio de la Sección de Ingeniería Mecánica, con el objetivo de comparar los resultados de los procesos, evaluar la capacidad de la herramienta de simulación utilizada y de esta manera contribuir a la aplicación del software a la enseñanaza universitaria. El capítulo 1 es la base teórica de la tesis y por lo tanto está dedicado a subrayar la teoría importante del conjunto: Proceso de fabricación (Fundición)/Herramienta de Simulación (Vulcan), mientras que el Capítulo 4, resulta ser una guía de simulación para los alumnos de las clases de Laboratorio de Fundición en donde el uso del software del Vulcan forma parte de la experiencia académica. El capítulo 2 y 3, conforman el cuerpo de este trabajo, y aquí los resultados del conjunto ensayo/simulación son comparados en base a los defectos presentados. El defecto más notorio y perjudicial en la pieza fundida es el rechupe. Mediante la simulación, la localización de dicho defecto se logra predecir con una muy buena aproximación mediante el criterio de solidificación de materiales denominado fracción sólida. Además, el software permite observar la evolución de vectores de velocidad durante el llenado, lo cual ayuda a evaluar zonas de alta turbulencia y por lo tanto focos de aparación de porosidades y defectos. Para finalizar el capítulo 3, se presentan gráficos de evolución de la variable temperatura versus tiempo con el objetivo de analizar el fenómeno de la transferencia de calor durante la solificación del material. Finalmente se comprueba que, a pesar de las dificultades presentadas durante el desarrollo de la investigación, como por ejemplo la utilización de un material de colada distinto para cada procedimiento (virtual: A1Si7Mg /real:chatarra de aluminio), los resultados presentados por el software Vulcan son muy convincentes. Los defectos reales son localizados con gran precisión en la pieza virtual. Este resultado permite afirmar que este programa posee una muy buena capacidad para evaluar los diseños preliminares de una fundición.

El uso de herramientas computacionales como softwares numéricos tienen un gran impacto en el sector de la construcción, debido a que mediante su correcto uso es posible predecir y analizar fenómenos físicos que pueden ocasionar daños estructurales, eliminando o limitando su repercusión en una obra. En este trabajo se ha desarrollado un caso particular de un fenómeno físico que se presenta en la construcción por capas o bloques de concreto en presas de centrales hidroeléctricas, fenómenos como las altas temperaturas producidas por la hidratación del concreto a tempranas edades, que pueden ocasionar fisuras. Todos los trabajos desarrollados hasta el momento, por diferentes autores, en la simulación térmica de presas de concreto, han utilizado softwares o creados algoritmos basados en el método de elementos finitos (como se detalla en la sección 2.2). Por otro lado, el método de volúmenes finitos es una opción que se puede emplear debido a su fácil implementación y rápido calculo. Además, también existen una gran diversidad de softwares en el mercado basados con este método (softwares de dinámica de fluidos computacional). Debido a la falta de información e investigación en el desarrollo de algoritmos usando el método de volúmenes finitos aplicados en la construcción de presas de concreto y la dificultad de hacer simulaciones son softwares comerciales, se optó por desarrollar en este trabajo un modelo numérico que permita obtener resultados fiables en la simulación de una presa en 2D. El modelo numérico implementado será capaz reducir los tiempos de pre-proceso en comparación con los softwares comerciales. Mientras que en los softwares comerciales se necesitan modificar, por ejemplo, la fuente de calor o las temperaturas iniciales en cada bloque, en el código se cambia solo una variable para todos los bloques a la vez. La intención de este trabajo es ser un punto de partida para futuras investigaciones que atañen en la construcción y operación de presas. El objetivo de este trabajo es construir un modelo numérico que permita calcular y visualizar la distribución de temperaturas al interior de la presa a lo largo del tiempo usando el método de volúmenes finitos. Para lograr este objetivo se ha seguido la siguiente metodología; en la primera etapa se define el modelo físico de Jaafar et al. (2006) de una presa en 2D, luego se define el modelo matemático de la ecuación de calor y por último se define el modelo numérico discretizando el modelo matemático. En la segunda etapa se implementa el modelo numérico definido en la etapa anterior para un caso en 1D en régimen transitorio, con una fuente de calor constante; además se desarrolla una simulación mediante ANSYS CFX, con ambos softwares se verifica el algoritmo construido, del cual se obtuvieron resultados similares al experimento de Saab (2013). En la tercera etapa con el algoritmo implementado y verificado para el caso 1D, se procede a construir el modelo en 2D de la presa usando MATLAB y considerando una fuente de calor variable (generada por el calor de hidratación del concreto) y posteriormente simulando en ANSYS CFX, bajo las mismas condiciones, comparando los resultados obtenidos con los de Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). En la cuarta etapa de hace una evaluación de fisuras en cada bloque de la presa, así mismo se analiza la distribución térmica al interior de la presa considerando la transferencia de calor por convección, que no fue tomada en cuenta en los trabajos desarrollados por Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). De todo ello, se concluye que el método de volúmenes finitos otorga fiabilidad en los resultados, que son comparables con el método de elementos finitos. Además, para el caso de la presa analizada se demuestra la existencia de fisuras localizadas que se deben en gran medida a las temperaturas ambientales variables a lo largo del tiempo que son impuestas como condición inicial del modelo numérico. También el considerar la transferencia de calor por convección mejora el comportamiento térmico de la presa teniendo temperaturas menores y reduciendo la generación de fisuras en la presa. Finalmente se puede mencionar que, con este trabajo, usando el método de volúmenes finitos, se pueden continuar otros casos de estudio, como, por ejemplo; implementar un modelo en 3D de la presa o calcular los efectos térmicos del llenado de agua del rio para la operación de la central hidroeléctrica. La presa una vez construida entrará en contacto con la superficie de la presa aguas arriba, este choque térmico (agua de rio generalmente a bajas temperaturas y el concreto con temperaturas aun elevadas luego de finalizada la construcción) genera gradientes térmicos que también pueden generar fisuras y cambiar la distribución de temperaturas al interior de la presa. Este estudio puede ayudar a mejorar el proceso de operación de la presa posterior a su construcción.