O presente trabalho foi desenvolvido com objetivo de analisar, comparar e validar, pelos métodos de simulação numérica e experimental, o comportamento do processo de perfuração por puncionamento para o aço AISI4140. Esse estudo será a base para a fabricação de eixos vazados em aerogeradores de energia como, em substituição a eixos maciços usualmente obtidos por fundição. O processo de perfuração por puncionamento é relativamente simples quando comparado com processos de perfuração mais elaborados, como cortes à laser, eletroerosão, usinagem, etc. No desenvolvimento e otimização do processo de perfuração para aplicação nos referidos eixos, surge, como auxílio, o processo de perfuração por puncionamento assistido por simulação computacional pelo Método dos Elementos Finitos - FEM. Neste estudo os corpos de prova, os punções e todo ferramental do processo de perfuração em si, foram modelados computacionalmente no “software” “Simufact.Forming 12.0”, avaliando-se as melhores formas e geometrias dos punções para o processo de puncionamento. Na simulação numérica foi utilizado o aço presente na biblioteca do referido “software” que corresponde ao aço AISI4140. Os resultados presentes na análise do processo computacional de perfuração por puncinamento mostraram que os punções de geometria estreita são os que apresentaram as menores forças para perfuração dos corpos de prova quando comparados às outras geometrias (denominadas de inclinada e pontuda). Para os estudos experimentais, o ferramental proposto foi confeccionado e montado para a devida comparação com os resultados obtidos a partir da simulação computacional. Os experimentos práticos bem como as simulações computacionais, foram montados para corpos de prova cilíndricos a 1100 ºC sendo perfurados por punções a uma velocidade de 3,7 mm/s. De acordo com os dados de força e deslocamento medidos pelo equipamento de aquisição de dados, pela célula de carga e pelo transdutor potenciométrico (LVDT), pôde-se realizar uma análise e estimativa das forças máximas que cada punção exerceu sobre as peças puncionadas. Os resultados das simulações computacionais demonstraram uma variação de 14% a 23% maiores das forças máximas de puncionamento, quando comparadas com as experimentais. Este resultado mostra que o “software” de simulação computacional pode prever, com boa aproximação, a força máxima de perfuração por puncionamento dos punções com diferentes formas e geometrias. O processo de perfuração por puncionamento pode ser considerado uma forma alternativa de perfuração para confecção de furos em corpos cilíndricos que, posteriormente, serão usados para manufatura de eixos vazados pelo processo de forjamento em matriz aberta. / This work was developed in order to analyze, compare and validate the methods of numerical and experimental simulation, the behavior of punching a punching process for AISI4140 steel. This study will be the basis for the manufacture of hollow shafts in wind turbine energy as a substitute for solid shafts usually obtained by casting. The puncturing by puncturing process is relatively simple compared to more elaborate drilling processes such as laser cutting, spark erosion, machining, etc. The development and optimization of the drilling process for use in these axes, emerges as an aid, the drilling process by punching assisted by computer simulation by Finite Element Method - FEM. In this study the samples, the punches and tooling throughout the drilling process itself, were computationally modeled on the "software" "Simufact.Forming 12.0", evaluating the best ways and geometries of the punches for the punching process. In numerical simulation was used this steel in the library of that "software" which is the AISI4140 steel. The results presented in the analysis of the computational process of drilling by puncinamento shown that close geometry punctures are those who had the lowest forces for drilling of the specimens when compared to other geometries (called inclined and pointed). For experimental studies, the proposed tooling was made and assembled for due comparison with the results obtained from computer simulation. Practical experiments and computer simulations were assembled cylindrical specimens at 1100 ° C being pierced by a punch of 3.7 mm / s. According to the data of force and displacement measured by the data acquisition equipment, the load cell and the potentiometric transducer (LVDT), it was possible to conduct an analysis and estimate of the maximum forces exerted on each punch punched parts. The results of computer simulations have demonstrated a variation of 14% to 23% higher maximum puncture forces of, when compared with the experimental. This result shows that the "software" of computer simulation can predict with good approximation, the maximum force of drilling by punching the punches of different shapes and geometries. The punching process for punching can be considered an alternative form of drill for making holes in cylindrical objects, which subsequently will be used to manufacture hollow shafts by forging process in an open array.

O estudo de bacias sedimentares é de grande importância econômica, já que podem servir de reservatórios naturais de água, hidrocarbonetos e minérios valiosos. Neste sentido, avanços significativos vêm sendo feitos na área da engenharia computacional, motivados principalmente pela indústria petrolífera, buscando uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na formação das bacias, a fim de otimizar custos e minimizar riscos na exploração das mesmas. O objetivo deste trabalho é a modelagem da formação, compactação e deformação de bacias sedimentares abordando exclusivamente os fenômenos mecânicos envolvidos. A simulação pode ser dividida em três fases características: a deposição dos sedimentos, sua compactação devido às forças gravitacionais e alívio de poro-pressões, e as deformações impostas por movimentos tectônicos extensionais e compressivos. Os estudos são realizados a partir de um modelo constitutivo poroelastoplástico em grandes deformações, levando em conta os acoplamentos hidro-mecânico e elástico-plástico. A simulação numérica é realizada através do método dos elementos finitos. Um algoritmo desenvolvido em Fortran é utilizado para realizar simulações bidimensionais da bacia em estado plano de deformação. São apresentados para diferentes momentos os fenômenos de subsidência da rocha sedimentar no caso de movimentos tectônicos extensionais, e de inversão da bacia (uplift) para o caso de movimentos tectônicos compressivos. São analisados e comparados todos os casos: compactação gravitacional e compactação segundo esforços de origem tectônica. / The study of sedimentary basins is of great economic importance, since they can serve as natural reservoirs of water, hydrocarbons and valuable minerals. In this context, motivated mainly by the oil industry, significant advances have been made in the area of computational engineering, seeking a better understanding of the mechanisms involved in the formation of basins in order to optimize costs and minimize risks in their exploration. This work is devoted to modeling of purely mechanical aspects of the formation, compaction and deformation of sedimentary basins. The simulation can be divided into three characteristic phases: the sediments deposition, its compaction due to gravitational forces and pore pressure dissipation, and its deformations imposed by extensional and compressive tectonic motion. The poromechanical constitutive law is formulated in the framework of finite irreversible strains, accounting for hydromechanical and elasticity-plasticity couplings. The numerical simulation is performed using the finite element method. An algorithm developed in Fortran code is used to perform two-dimensional simulations in plane strain state. Two phenomena are presented for different basin ages: the sedimentary rock subsidence, in the case of extensional tectonics, and the basin inversion (uplift), in the case of compressive tectonics. Different analyses and comparisons are made for all cases: gravitational compaction and tectonic-driven compaction.

Este trabalho consiste na aplicação de métodos de otimização e de dinâmica dos fluidos computacional a turbinas eólicas. O grande crescimento no mercado de energias renováveis exige que turbinas cada vez mais potentes sejam criadas e que o projeto e análise destas seja cada vez mais preciso. A presente dissertação tem como objetivos a otimização um aerofólio para turbinas eólicas, a simulação de um aerofólio de uma turbina eólica com alto ângulo de ataque e a simulação de uma turbina tridimensional. A otimização de aerofólios foi feita com simulações bidimensionais permanentes, utilizando as equações médias de Reynolds e o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras, com algoritmos genéticos acoplados a redes neurais artificiais. O cálculo de um aerofólio com alto ângulo de ataque foi feito utilizando simulações de grandes escalas com o modelo dinâmico de Smagorinsky. As simulações de uma turbina tridimensional foram feitas empregando as equações médias de Reynolds em forma permanente, com um termo adicional representando as forças de Coriolis, também com o modelo de turbulência de Spalart-Allmaras. Da primeira etapa pode-se concluir que as simulações bidimensionais permanentes são muito precisas para o aerofólio de referência, com boa concordância nos coeficientes de arrasto, sustentação e pressão. Os algoritmos genéticos geraram bons resultados, com cerca de 8% de aumento da razão sustentação/arrasto e com aproximadamente 50% de economia no tempo computacional ao se utilizar redes neurais artificiais. Na segunda etapa, o cálculo de um aerofólio com alto ângulo de ataque demonstrou necessidade de simulações tridimensionais transientes, pela alta variação dos coeficientes aerodinâmicos ao longo do tempo e alta tridimensionalidade da esteira. Na última etapa, a simulação de uma turbina tridimensional mostrou resultados muito próximos dos experimentais. Muita atenção foi dada na discretização deste caso, chegando a uma malha com 700 mil elementos, enquanto outros autores utilizaram de 3 a 38 milhões de elementos para o mesmo caso. / The present work consists in the application of optimization methods and computational fluid dynamics to wind turbines. The massive growth in renewable energies demands more powerful turbines and more accuracy in their design and analysis. This work has three objectives: optimization of an airfoil for wind turbines, simulation of a wind turbine airfoil in deep stall, and simulation of a three-dimensional wind turbine. The airfoil optimization is accomplished by means of two-dimensional steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulations with the Spalart-Allmaras turbulence model, with genetic algorithms coupled with artificial neural networks. The airfoil in deep stall is calculated with unsteady three-dimensional Large Eddy Simulations with the dynamic Smagorinsky model. The simulation of a wind turbine is also done by means of the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, with an additional term to take the Coriolis forces into account, and the Spalart-Allmaras turbulence model. In the first application, it can be confirmed that the two-dimensional steady state simulations are very accurate for the reference airfoil, with good agreement for drag, lift, and pressure coefficients. Genetic algorithms improved the lift-to-drag ratio about 8%, with a 50% decrease in computational time when using artificial neural networks. For the second application, the airfoil with a high angle of attack showed that transient three-dimensional simulations were indeed required, with a high variation of aerodynamic coefficient as a function of time and the highly three-dimensional wake. In the final part, the three-dimensional wind turbine showed very good agreement with experimental results. A great deal of attention was devoted to the creation of the grid and a mesh with only 700 thousand elements was achieved, while other authors used from 3 to 38 million elements for the same case.

A indústria de mineração investiga continuamente processos de reconciliação e técnicas adequadas para mapear possíveis riscos na recuperação do minério e no planejamento de lavra. Um estudo de caso em uma mina de cobre brasileira investiga a adequação do uso de teores simulados para a definição de áreas de risco que afetam o planejamento mineiro e as reservas minerais definidas. Simulações condicionais foram usadas para derivar múltiplos modelos de teores de cobre dentro de um típico corpo de minério do depósito e esses modelos foram comparados com os dados reais de produção (reconciliação). A comparação permitiu uma melhor compreensão sobre a variabilidade da qualidade e ajudou na definição de um plano de produção mais consistente. Com os intervalos de valores provenientes das simulações foi possível mapear importantes áreas de incerteza que afetam o plano de lavra. Análises de risco foram conduzidas para a definição da cava final através da comparação do limite previsto pela estimativa por krigagem ordinária e as cavas resultantes dos modelos simulados de teor de cobre, sendo possível avaliar os impactos operacionais nos principais fatores econômicos (valor presente líquido e fluxo de caixa descontado). Várias cavas finais foram geradas para vários modelos de blocos simulados, comparando-se com a cava anteriormente planejada através da utilização do modelo de blocos produzido pela krigagem ordinária. Além disso, foi definida uma escala de risco utilizando os modelos condicionalmente simulados e os valores estimados pela krigagem (comumente utilizados como referência para definição do orçamento e da alimentação de metal no moinho) a fim de minimizar as variações dos teores. Estas medidas se propõem a reduzir o risco no cumprimento das metas de produção de metal no planejamento de lavra. Esta abordagem, considerando o risco durante o sequenciamento de lavra, foi utilizada no plano de produção anual da mina e comparada com o realizado no período e com a abordagem tradicionalmente aplicada. Os resultados evidenciaram possíveis riscos associados com o limite da cava final operacional e demonstraram os benefícios do uso de análise de risco como uma ferramenta para visualizar e analisar os limites de cava final e planejamento de lavra, ajudando a tomar melhores decisões estratégicas no gerenciamento da mina referente aos fatores técnicos e indicadores econômicos. / Mining industry continuously investigates proper reconciliation procedures and techniques for mapping possible risks in ore recovery and mine planning. A case study at a Brazilian copper mine investigates the adequacy of using simulated grades for defining high risk areas affecting mine planning and the defined mineral reserves. Conditional simulations were used to derive multiple copper grade models within a typical ore-body of the deposit and compared these models against the real production data (reconciliation). The comparison allowed a better understanding of grade variability and helped in defining a more consistent mine plan. The range of values derived from the simulations mapped areas of significant uncertainty affecting the pushback’s plan. Risk analysis were conducted for the final pit definition by comparing the projected final pit limit and mining sequence against the simulated models of copper grade, assessing the operational impacts on key economical factors (mine net present value, discounted cash flow). Several final pit limits were generated for various simulated grade block models and compared to the previously pit planned using the ordinary kriging grade block model. Also, it was defined a risk scale using the conditional simulated models and the ordinary kriged values (commonly used for budget and mill feed reference) in order to minimize grade variations ensuring less risk on completion of the metal production goals on mine planning. This approach considering the risk for the mining sequencing was used on the annual mining plan and compared to the real production and to the traditional approach. The results highlighted possible risks associated with the operational pit limit and demonstrated the benefits of using risk analysis as a tool to preview and review the final pit limits and mine planning, helping to make better strategic decisions by the copper mine management related to the technical factors and economical indicators.

Cada vez mais se busca um correto dimensionamento dos materiais refratários e uma correta escolha das variáveis operacionais dos reatores metalúrgicos. No caso da produção de alumínio primário, a competitividade do mercado exige alta vida útil da célula de redução eletrolítica, acompanhada de uma eficiência energética no processo, uma vez que as fontes energéticas estão se tornando cada vez mais escassas. Por isso, a formação e a espessura da camada de banho congelado (também chamada de ledge) são muito importantes para estimar e prolongar a vida útil da cuba de redução eletrolítica. A espessura de banho congelado está, intimamente, relacionada com a proteção dos materiais refratários (resultando em aumento de vida útil do reator) e com a resistência térmica do reator metalúrgico para produção de alumínio primário, influenciando a sua eficiência energética. Nesta dissertação estuda-se a simulação termo-elétrica através do uso do pacote comercial Ansys CFX 11. Para isso, é realizada a deformação da malha e a temperatura Tliquidus do ledge é especificada. Essa deformação acarreta uma alteração da resistência térmica da camada de ledge, fato que altera a temperatura das interfaces ledge/banho e ledge/metal devido ao balanço térmico. Em vista disso, o modelo apresentado tem o objetivo de estimar a espessura do ledge, a eficiência energética da Cuba de redução eletrolítica, seu perfil de temperaturas, fluxo de calor e auxiliar na escolha e no projeto de refratários adequados para a cuba de redução eletrolítica utilizada na produção de alumínio primário. A dissertação apresentará o perfil de temperatura na frente de solidificação nas interfaces ledge/banho e ledge/metal. Também, o presente trabalho mostra o estudo do fluxo de calor através da frente, a espessura de banho congelado, a resistência térmica e a validação do modelo numérica. A metodologia empregada na análise numérica do fenômeno físico estudado foi adequada e conseguiu-se a validação do modelo. / Increasingly, the aim is a correct sizing of refractory materials and a correct choice of the operating variables of metallurgical reactors. In the case of primary aluminum production, the competitive market requires high life of the electrolytic reduction cell, accompanied by energy efficiency in the process, since the energy sources are becoming increasingly scarce. Therefore, the formation and the layer thickness of bath frozen (also called ledge) are very important to estimate and prolong the life of the cell of electrolytic reduction. The thickness of frozen bath is closely related to the protection of refractory materials (resulting in increased life of the reactor) and the thermal resistance of the metal reactor for the production of primary aluminum, influencing its efficiency. On This dissertation is studied the simulation thermothrough the electrical use of commercial package Ansys CFX 11. To Hence it is held the deformation of mesh and temperature Tliquidus of the ledge is specified. This deformation causes a change in the thermal resistance layer ledge, a fact that the temperature changes of the interfaces ledge / bath and ledge / metal due to thermal balance. As a result, the model aims to estimate the thickness of the ledge, the energy efficiency of electrolytic reduction cell, its temperature profile, heat flow and help in the choice and design of refractories suitable for the electrolytic reduction cell used for the production of primary aluminum. The dissertation shows the temperature profile in front of solidification at the interfaces ledge / bath and ledge / metal. Also, this paper shows the study of heat flux through the front of solidification, the thickness of the ledge, the thermal resistance influence and the validation of numerical model. The methodology used in the numerical analysis of the physical phenomenon studied was adequate and we were able to validate the model.

Cerca de 60% do total de cargas transportadas no país, utilizam-se do modal rodoviário, ainda que apenas 13,5% das estradas do país sejam pavimentadas, e, destas 48% possuam algum tipo de deficiência. Inseridas neste contexto, estão as quase 1300 fabricantes de implementos rodoviários, veículos destinados especificamente ao transporte dessas cargas. O cenário evidencia a concorrência existente neste segmento. Para manterem-se competitivas, estas empresas devem oferecer produtos com maior qualidade, durabilidade, segurança e a um custo competitivo. Uma das etapas do desenvolvimento que mais consome recursos destas empresas são as avaliações de durabilidade dos seus respectivos produtos e, neste intuito, as ferramentas de simulação numérica são importantes aliadas, pois permitem estimar a vida em fadiga dos mesmos ainda na fase de concepção, reduzindo custos em garantias, protótipos e tempo despendido no desenvolvimento de um novo produto. A vida em fadiga dos componentes e estruturas metálicas pode ser definida através de duas principais abordagens: domínio do tempo ou domínio da frequência, também chamado de métodos espectrais. Esta abordagem apresenta tanto excitações quanto respostas em termos de Densidade Espectral de Potência - PSD, enquanto a abordagem no domínio do tempo apresenta excitações e respostas em termos de históricos temporais. O uso de métodos espectrais possui como vantagens a redução do esforço computacional, melhor entendimento do comportamento dinâmico da estrutura, além de permitir a análise de trechos representativos das pistas por onde o implemento trafega. O presente trabalho apresenta uma metodologia para estimativa da vida em fadiga de componentes de implementos rodoviários, além de um estudo de caso, utilizando métodos espectrais. A solução do problema faz uso de acelerações aquisitadas em pistas de asfalto e estrada de chão e estes valores são utilizados como dados de entrada na estimativa da vida em fadiga do componente em estudo. Efeitos das tensões médias e critérios de multiaxialidade também foram abordados. / About 60% of the total cargo transported in the country makes use of highways, however only 13.5% of the country's roads are paved, and 48% of them have some type of disability. Inserted in this context there are approximately 1300 manufacturers of road implements, vehicles designed specifically to the transport of cargo. The scenario highlights the competition in this segment. In order to remain competitive, that companies must offer products with higher quality, durability, safety and lower cost. One of development the stages that consumes more resources from these companies is the durability evaluation of their products and, in this aim, numerical simulation tools are important allies, as they allow to estimate the fatigue life of them, still in the design phase, reducing costs in guarantees, prototypes and the time spent in the development of a new product. The fatigue life of components and metallic structures can be defined by two main approaches: the time domain and the frequency domain or spectral method. This spectral approach has both excitations and responses in terms of the Power Spectral Density - PSD, while the time domain approach involves the excitations and responses in terms of some history of time. The use of spectral methods have the advantage of reducing the computational effort, a better understanding of the dynamic behavior of the structure, and allows the analysis of more representative sections of tracks where the implement travels. This work uses one specific methodology for fatigue life assessment of components of road implements, besides a study of some particular case, using spectral methods. The solution of the problem makes use of experimental accelerations measured in paved and unpaved roads, where they are used as input data in the fatigue life assessment of the component in study. Mean stress effects and multiaxial stresses criteria were also considered.

Este trabalho tem como objetivo investigar quais são os valores dos principais parâmetros que a literatura apresenta para o processo de forjamento a morno de precisão. Os parâmetros escolhidos são: curva de escoamento do SAE-1050M a frio e a quente, fator de atrito e o coeficiente de transferência de calor entre peça e ferramenta. Estipulou-se uma faixa de variação destes parâmetros, simulou o processo através do método dos elementos finitos com o uso do pacote MSC.Superform 2005 para os diferentes parâmetros e cruzou os resultados por meio do conceito de sensitividade. Os resultados cruzados são: força, trabalho, deformação e temperatura. Simulações são realizadas com variações dos parâmetros de entrada baseadas nos ensaios e levantamento bibliográficos. As respostas das simulações são adimensionalizadas com o uso do conceito de sensitividade, podendo assim, serem comparadas entre si. O fator de atrito e o coeficiente de transferência de calor entre peça e ferramenta não influenciam tanto na resposta como a curva de escoamento. / This work has as objective to investigate which values of key parameters are presented by the literature for the warm precision forging process. The chosen parameters are: hot and cold SAE-1050M flow stress curve, friction factor and heat transfer coefficient between workpiece and die. Stipulate a range of variation of these parameters, simulate the process through the finite elements method with the use of the package MSC.Superform 2005 with different parameters and cross the results with concept of sensitivity. The crossed results are: force, work, strain and temperature. Simulations are carried out with variations of the input parameters based on the bibliographical research and tests. The simulations output are nondimensionalised with the use of the sensitivity concept, thus being able, to be comparative between themselves. The friction factor and the heat transfer coefficient between workpiece and die do not influence as much as the flow stress curve.

Neste trabalho é apresentado um estudo numérico sobre escoamentos incompressíveis, não isotérmicos, bi e tridimensionais nos regimes laminar e turbulento através da Simulação de Grandes Escalas e da utilização do Método de Elementos Finitos. Para tornar isso possível, é implementada a equação da energia e os termos de forças de campo (empuxo) em um algoritmo numérico desenvolvido em FORTRAN, já existente, que simula escoamentos incompressíveis, isotérmicos, tridimensionais, nos regimes laminar e turbulento. O código desenvolvido abrange escoamentos onde as formas básicas de troca térmica ocorrem por difusão e advecção. No que tange a natureza da convecção térmica é possível analisar escoamentos com convecção forçada, mista ou natural. O método numérico empregado é o de elementos finitos (FEM) e a discretização espacial das equações que governam o fenômeno (continuidade, conservação da quantidade de movimento e conservação da energia) é realizada através do método de Galerkin. Para a análise dos termos temporais nos escoamentos transientes aplica-se o esquema temporal explícito de Taylor-Galerkin. O elemento finito utilizado é o hexaedro isoparamétrico de oito nós. É empregado o método da pseudo-compressibilidade com o objetivo de manter os termos derivados da pressão na equação da continuidade, pois essa ausência gera uma dificuldade adicional na discretização das equações. Para a abordagem da turbulência é empregada a simulação de grandes escalas (LES) com modelagem sub-malha clássica de Smagorinsky para a viscosidade e a difusividade turbulenta. Visando a melhoria no tempo de processamento foi utilizada integração explícita das matrizes dos elementos e a técnica de processamento paralelo OpenMP. São apresentados resultados para escoamentos com vários números de Reynolds, Prandtl e de Grashoff dos campos de velocidade, pressão e temperatura para escoamentos em cavidade bidimensional, nos regimes laminar e turbulento, e para o degrau tri-dimensional no regime laminar. As simulações para escoamentos em cavidades nos regimes laminar e na região de transição são comparados com os resultados de outros autores, se mostrando bastante satisfatórios, tanto no regime transiente como no permanente. Além disso, a inserção das forças de campo no código melhorou os resultados obtidos com o mesmo. As outras simulações são apresentadas como novos casos e tiveram um comportamento qualitativamente satisfatório. / A numerical study about non-isothermal, bi and three-dimensional, incompressible, laminar and turbulent flows is done in this work using Large Eddy Simulation and Finite Element Method. To became this possible, is implemented the energy equation and buoyance forces (in the Navier-Stokes equations) in a numerical algorithm, developed in FORTRAN, already existent, that simulate isothermal, three-dimensional, incompressible, laminar and turbulent flows. The developed code includes flows where the basic forms of heat transfer are diffusion or advection. About the nature of thermal convection it is possible to analyze the forced, mixed or natural convection flows. The numerical method used is the finite element method (FEM) and the spatial discretization of governing equations of phenomena (mass, conservation of momentum and conservation of energy) is done through Galerkin method. To analyze the time-dependent terms in transient flows is employed a time-explicit Taylor-Galerkin scheme. The finite element used is the isoparametric hexahedral with eight nodes. It is used the pseudo-compressibility method to keep the pressure terms in continuity equation, because without these terms there are additional difficulties to obtain the discretizated equations. Regarding the turbulence approach, it is employed the large eddy simulation (LES) and for subgrid-scales is used the classical Smagorinsky model to turbulent viscosity and diffusivity. To minimize the processing time is used explicit integration of element matrix and the multiprocessing technical OpenMP. Results are presented to a wide range of Reynolds, Prandtl and Grashoff numbers for velocity, pressure and temperature fields to laminar and turbulent, bi-dimensional, lid-driven cavity flow and a laminar three-dimensional backward-facing step. Simulations of lid-driven cavity flows in laminar and transitional regimes is compared with others authors results, presenting good agreement, in both transient and permanent regimes. Besides that, the implementation of buoyance forces in the present code improved the results obtained by it. The others simulations are presented like new cases and had qualitatively good behavior.

A avaliação numérica das cargas limites (de colapso) de estruturas é obtida geralmente ou pela aplicação direta dos teoremas de análise limite junto com processos de otimização ou mediante análises incrementais, que levam em consideração o comportamento elasto-plástico do material. Entretanto, ambas as estratégias conduzem eventualmente a dificuldades numéricas, particularmente para cargas próximas à de colapso. Neste trabalho, emprega-se uma alternativa que consiste em simular assintoticamente o comportamento elasto-plástico mediante uma relação elástica não-linear. As vantagens deste tipo de formulação são a possibilidade de se lidar com leis de fluxo não-associadas e um custo computacional reduzido. A relação elástica não-linear é implementada no programa comercial de elementos finitos ABAQUS, através de uma sub-rotina externa ao programa escrita em linguagem FORTRAN. Diversos exemplos de estruturas cujos materiais são regidos pelos critérios de resistência de von Mises e Drucker-Prager são modelados, verificando-se que os resultados das cargas limites obtidas com essa formulação são muito próximos daqueles encontrados na literatura. Por fim, a relação elástica não-linear é empregada para a determinação do domínio de resistência de meios porosos, com diferentes níveis de porosidade. / The numerical assessment of limit loads of structures is generally achieved through the direct implementation of limit analysis theorems together with optimization processes, or through incremental analyses, which account for the elastic-plastic behavior of the material. However, both the strategies may lead to numerical difficulties, particularly when the load is close to its limit value. In this context, the alternative approach presented in this work consists in simulating asymptotically the regime of free plastic flow by means of a fictitious non-linear elastic material. One of the main advantages of this kind of formulation lies in its ability to deal with non-associated flow rules and a reduced computational cost. The non-linear elastic behavior is implemented into the finite element computational software ABAQUS, making use of an external subroutine written in FORTRAN language. Several examples of geotechnical and structural problems with materials ruled by von Mises and Drucker-Prager failure criteria are analyzed. The results obtained with this formulation prove to be very close to those obtained through analytical solutions. At last, the non-linear elastic relation is used in the determination of the resistance domain of porous media with different levels of porosity.

Em componentes mecânicos submetidos a carregamentos cíclicos, o modo de falha predominante é a fadiga do material. Para dimensionar tais componentes, uma entrada do projeto é a vida útil, ou seja, a quantidade de ciclos que tal componente deverá resistir. Quando este carregamento cíclico é constante e invariável, a estimativa de vida pode ser encontrada por meio de equações consolidadas, porém em diversas aplicações da engenharia o componente está submetido a solicitações aleatórias e variáveis no tempo, como por exemplo, turbulências em uma asa de avião, uma estrutura sob ação de ondas e marés ou uma estrutura de transporte rodoviário. Nestes casos a estimativa de vida destes componentes torna-se complexa, sendo que, em alguns casos, o cálculo torna-se probabilístico e estatístico. Esta estimativa de vida pode ser realizada no domínio do tempo ou no domínio da frequência. No domínio do tempo, a estimativa é baseada na contagem de ciclos do sinal da tensão em função do tempo, existindo diversos métodos para a contagem destes ciclos, sendo que o mais utilizado é o método Rainflow. No domínio da frequência diversos autores desenvolvem métodos baseando-se no tipo de carregamento aleatório (banda estreita, gaussiano, etc). Os métodos mais utilizados baseiam-se na função densidade espectral de potência- PSD (Power Spectral Density), bem como os parâmetros oriundos desta, os momentos da PSD e a PDF (Probabilistic Density Function). Este trabalho estuda a estimativa de vida em um componente submetido a um carregamento aleatório, utilizando métodos sob o domínio da frequência, por meio dos parâmetros espectrais extraídos da PSD de tensão. Ao longo do trabalho comparou-se a estimativa de dano, ou vida, utilizando um software comercial, com cálculos baseados na literatura. Os resultados foram comparados e algumas fontes de erro, ou variação nos resultados foram destacados. / In mechanical components under cyclic loading, the predominant failure mode is the fatigue of material. To design these components, a necessary project input is the life, or the number of cycles that this component should work. When this cyclic loading is constant and invariable, the estimated life can be found by well-known engineering equations, but in many engineering applications the component was under random loading, e.g. airplane wing turbulence, a structure under the action of waves and tides, or a road transport components. In these cases the calculation becomes probabilistic and statistical. The life estimation can be accomplished under time or frequency domain. Under time domain, the estimation is based on counting cycles of stress signal in the time, there are several methods for this account, which is the most widely used is the Rainflow method. Under frequency domain several authors developed methods based on the sort of random loading (narrow band, gaussian, etc.) The most commonly used methods are based on the power spectral density, or PSD, and the parameters resulting from this, commonly the moments of PSD and the PDF (Probabilistic Density Function). This work studies the damage estimation of a component under random loading using some models of life estimation under frequency domain by spectral parameters extracted from PSD of stress. Throughout the study the damage, or life, estimation has been evaluated using a commercial software, and scripts based on the literature. The results were faced and some sources of error or variation in the results were posted.