[pt] A soldagem é um processo de união de materiais que possui grande aplicação em diversos setores da indústria, como automotiva, óleo e gás, nuclear, naval, dentre outros. Dentre os fatores responsáveis pelo comprometimento da vida útil pós-soldagem de componentes mecânicos e estruturais se destacam as tensões residuais, cuja análise qualitativa e quantitativa é de extrema importância no projeto, na garantia da qualidade e prevenção de falhas de estruturas soldadas. No presente trabalho aplicou-se uma metodologia composta por análise numérica e experimental, que se complementaram. Chapas do aço AISI 1020 foram soldadas pelo processo Metal Active Gas (MAG), em um único passe. Os experimentos foram conduzidos com duas velocidades, visando avaliar a influência deste parâmetro sobre o nível das tensões residuais geradas. Na sequência, as tensões residuais foram analisadas por difração de raios-X. Simultaneamente, procedeu-se a análise numérica das tensões residuais, com o emprego do código comercial de elementos finitos ANSYS, através de um modelo sólido 3D, em análise não linear termo-elastoplástica, utilizando-se a técnica Birth and Death, ativando e desativando os elementos, à medida que o cordão de solda foi depositado. Parâmetros experimentais da soldagem, geometria das amostras, coeficiente de transmissão de calor, propriedades térmicas e mecânicas do material, que variam com a temperatura, foram utilizados como dados de entrada no modelo numérico. Por fim, realizou-se a comparação entre as tensões residuais determinadas experimentalmente por difração de raios-X e as calculadas numericamente pelo método de elementos finitos, observando-se uma boa concordância entre os resultados obtidos pelas duas metodologias. / [en] Welding is a process of joining materials that have wide application in various industry sectors such as automotive, oil and gas, nuclear, naval, among others. Residual Stresses is often a cause of premature failure of critical components. The qualitative and quantitative analysis of residual stresses is extremely important in the design, on quality assurance and prevention of weldment failures. The objective of this study was developing a methodology that includes numerical and experimental analyses that are complementary. AISI 1020 steel samples were butt welded by GMAW process with weld metal in a single pass. Experiments were conducted at different heat source speeds in order to evaluate the influence of this parameter on the level of residual stresses generated. Subsequently, the samples were subjected to measurement of residual stress by diffraction X-ray method. Simultaneously, a numerical analysis of the residual stresses was performed with a commercial finite element software called ANSYS (17.0), and a 3D solid model for a nonlinear thermo-elastic-plastic analysis using the Birth and Death technique, where the elements are enabled and disabled along weld metal deposition. Experimental welding parameters such as geometry of the samples, heat transfer coefficients, thermal and mechanical properties which vary with temperature were used as input data in the numerical model. Finally, there was a comparison between the residual stresses determined experimentally by diffraction of X-rays and computed data by finite element method. A good agreement was observed between the two methods.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-20T18:07:28Z No. of bitstreams: 1 158139.pdf: 1149685 bytes, checksum: 165bbdaaaec313c6a4bbd28b6c09d515 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-20T18:07:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 158139.pdf: 1149685 bytes, checksum: 165bbdaaaec313c6a4bbd28b6c09d515 (MD5) Previous issue date: 1983-03 / Apresenta uma análise da aplicação do Método dos Elementos de Contorno ao problema definido pela vibração forçada de um par de cilindros esbeltos imersos em uma região fluida infinita. Na formulação do problema foram utilizadas hipóteses simplificadoras, reduzindo-se o mesmo à determinação de um potencial complexo. Para a realização de tal análise, foi desenvolvida a solução analítica para o problema e, com ela, foram comparados os valores obtidos através da solução numérica acima mencionada. Para a comparação de tais soluções, foram utilizados os valores dos coeficientes de massa adicionais característicos do problema. / The purpose of this work is to analyse the use of the Boundary Element Method (BEM) for solving the problem defined by the forced vibration of a pair of slender circular cylinders immersed in aninfinite fluid domain. The formulation of the problem is done through the assumption of simplifying hipoteses, which reduce its solution to a complex potential determination. In arder to perform the above mentioned analysis, an analytic solution for the problem was developed and compared with the values obtained through the BEM numerical solution. In the comparing of those solutions, the values of the additional mass coeficients for the problem were used.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-27T18:33:41Z No. of bitstreams: 1 159040.pdf: 1888369 bytes, checksum: cb2390d46d17e2fd59737cd6d4c16a8e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-27T18:33:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 159040.pdf: 1888369 bytes, checksum: cb2390d46d17e2fd59737cd6d4c16a8e (MD5) Previous issue date: 1983-03 / CAPES / São desenvolvidos estudos numérico e experimental da propagação de pulsos de tensão em barras elásticas com variação de seção transversal em uma pequena região. A equação dinâmica e estabelecida e solucionada pelo método das características. A integração numérica é obtida pelo processo das diferenças finitas, cujos resultados são comparados com os resultados experimentais. Nos experimentos, os pulsos incidentes são gerados pelo impacto entre um projétil e a barra. / Numerical and experimental studles are carried on the propagation of stress pulses in elastic bars with varia tion of the cross-section in a smal region. The dynamic equation is establ ished and solved through the method of cháracteristics. Numerlcal integrati'on is obtained by finlte-differences on a characterlstic mesh, the results of which are compared with those obtained experimentaly. ln the experiments, pulses are generated by impact between a projectile and the bar.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-03-02T15:36:59Z No. of bitstreams: 1 161213.pdf: 4310854 bytes, checksum: 57d994b5e1da42937523f90f621e9ca4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-02T15:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 161213.pdf: 4310854 bytes, checksum: 57d994b5e1da42937523f90f621e9ca4 (MD5) Previous issue date: 1984-11 / Estuda-se a aplicabilidade da “Função Decrescimento Aleatório” na detecção de falhas em sistemas mecânicos lineares e a sensibilidade desta função ã variação de parâmetros de medição, tais como: posição do acelerômetro, faixa de frequência, nível de seleção, número de amostras, etc. Utiliza-se um sistema contínuo viga engastada – livre com excitação na extremidade, desenvolvendo-se o estudo teórico segundo as teorias de Euler e de Timoshenko, com variação dos parâmetros massa-mola na extremidade livre da viga, analisando-se assim a sensibilidade te6rica dos primeiros modos naturais. Apresenta-se a fundamentação teórica da função de crescimento aleatório, para sistemas a um grau de liberdade e para sistemas contínuos. Finalmente determinam-se experimentalmente, para o sistema viga engastada-livre com excitador na extremidade, Assinaturas Decrescimento Aleatório que indicam o nível de seleção, número e tamanho de amostras e a sensibilidade a variação de falhas, além de aferir a repetibilidade destas assinaturas. / The applicability of the "Random Decrement Function" to the detection of failures in linear mechanical systems is studied together with its sensitivity to the variations of measurement parameter such as, accelerometer position, frequency range, threshold level, number of samples. A continuous system consisting of a cantilever beam excited at its end has been studied. The sensitivity of the first natural modes under variation of the spring-mass characteristics at the end, is obtained, using Euler and Timoshenko theories. The theorectical basis for the Randon Decrement Function is presented to single degree of freedom and continuous systems. Experimentally obtained Random Decrement Signatures for the cantilever beam excited at the end indicate the convenient threshold level, number and size of samples, the sensitivity to failures, and also verify the repeatability of these signatures.

[pt] A análise de deformações em torno de regiões de concentração de tensões é uma importante ferramenta na avaliação da integridade estrutural de peças e componentes mecânicos. Todavia, esta análise se torna mais complexa quando o material atinge a plastificação junto ao entalhe. Neste trabalho, uma nova metodologia numérico-experimental para medição de deformações na superfície de um material, combinando métodos sem malha e visão computacional, é apresentada. A parte experimental da técnica é baseada na captura de imagens de um material em estados diferentes de deformação durante um ensaio mecânico. A técnica de visão computacional conhecida como Scale Invariant Feature Tecnique (SIFT) é utilizada aqui para extrair pontos característicos nas imagens capturadas. Para tanto, uma textura aleatória foi pintada na superfície do corpo de prova. Em seguida, os deslocamentos são obtidos experimentalmente, através do seguimento das posições dos pontos SIFT corretamente correspondidos no par de imagens capturadas do ensaio, antes e depois da aplicação da carga. Os pontos fornecidos pelo algoritmo SIFT são selecionados como nós de uma formulação sem malha, e o método de mínimos quadrados móveis é utilizado para gerar uma aproximação numérica do campo de deslocamentos e as suas derivadas. Assim, deformações na região próxima ao entalhe são devidamente quantificadas para posterior análise. Na validação da metodologia proposta, corpos de prova entalhados foram utilizados para estudar o comportamento da deformação plástica nas regiões de concentração de tensões. Os resultados dos testes mostraram boa concordância e precisão quando comparados com soluções analíticas, simulações pelo método dos elementos finitos (ANSYS) e soluções obtidas através de um software comercial de correlação de imagens digitais. / [en] Strain analysis near stress concentration regions is an important tool for structural integrity of mechanical components. However, this analysis becomes more complex when the material starts to deform plastically near the notch root. In this work, a novel experimental-numerical technique for the measurement of the strain distribution on the surface of a deformable body is described, which uses meshless methods and computer vision. The experimental part of this technique is based on the capture of images at different stages of material deformation during a mechanical test. The Scale Invariant Feature Transform (SIFT) is a computer vision algorithm used here to extract distinctive points or features in the captured images. For this purpose, a random texture was painted on the specimen surface. Then, the displacements are experimentally obtained by tracking the positions of successfully matched SIFT points in an undeformeddeformed pair of images. The points provided by SIFT are selected as nodes in a meshless formulation and the moving least square method is used to generate a numerical approximation for the displacement field and its derivates. Thus, the corresponding strain field close to the notch is calculated. To validate the proposed methodology, notched specimens were employed to study the deformation behavior on regions of stress concentration. Experimental results showed good agreement and accuracy when compared to analytical solutions, to simulations by finite elements (ANSYS) and to solutions obtained by using a commercial software based on the digital image correlation technique.

[pt] Esse trabalho teve como objetivo principal avaliar a resistência à falha da infraestrutura de uma prótese parcial fixa em zircônia de três elementos e aparafusada sobre implantes, através de análise de tensões por elementos finitos e determinação da resistência à fadiga da estrutura. Como objetivo secundário, foram avaliadas as distribuições das tensões nos demais componentes da prótese. Na análise de tensões, dois modelos distintos foram gerados, sendo o primeiro com prótese, implantes e parafusos similares àqueles adotados na clínica odontológica. Um segundo modelo, usado como controle, adotou uma geometria simplificada. As cargas mastigatórias foram aquelas usuais da literatura especializada e a análise por elementos finitos foi realizada através do programa Ansys Workbench 14.5. Os resultados das distribuições de tensões mostraram semelhanças entre os dois modelos, com pequenas variações relacionadas às geometrias empregadas. As tensões calculadas ficaram abaixo dos limites de resistência mecânica da zircônia e das ligas de titânio. No cálculo da vida em fadiga da prótese de zircônia um modelo analítico foi adotado prevendo uma vida infinita para o componente. / [en] The main goal of this work was to evaluate the failure resistance of a zirconia fixed partial denture of three elements screwed on implants by means of a finite element stress analysis and the determination of the fatigue strength of the structure. As a secondary objective, the stress distributions in the other components of the prosthesis were evaluated. In order to promote the stress analysis, two different models were generated, the first making use of prosthesis, implants and screws similar to those adopted in the dental clinic. A second model, used as control, adopted a simplified geometry. The masticatory loads were those presented usually in the literature and finite element analysis was performed making use of Ansys Workbench 14.5 program. The stress distribution results showed similarity in both models, with small variations related to the adopted geometries. The calculated stresses were smaller than the ultimate strength of the zirconia and titanium alloys. Concerning the fatigue life of the zirconia prosthesis an analytical model was adopted and estimated an infinite life for the component.

[pt] O conhecimento dos esforços de flexão e normal provocados por movimentação de solo é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforços. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e de seu comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforços existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforços agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforços de trabalho obtidos desconsiderando-as são próximos dos valores reais. No mais, os procedimentos propostos para a determinação dos esforços, mediante a separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais. / [en] The knowledge of the bending and axial efforts caused by soil movement is important for the structural integrity analysis of pipelines. The existence of residual stresses is one of the main obstacles for obtaining good results in the determination of such efforts. This work was developed to analyze the behavior of the residual stresses of manufacturing in pipes throughout its circumference and length. Measurements of residual stresses had been made in samples of a new pipe and others samplers removed from operation, using the hole drilling technique and a new sectioning technique. The measurements had been carried throughout the circumference and different sections of the pipes. The measurements with the sectioning technique proposed, called elliptical hole technique, are coherent with the measurements of the hole drilling technique, mainly for the longitudinal stresses. From the experimental results, recommendations had been made and methodologies had been proposed to separate the manufacturing residual stresses from the operating stresses in the pipelines. For each method considered in this work, a simulation was made to evaluate its errors. The circumferential and longitudinal residual stresses of manufacturing have considerable magnitudes (sometimes next to the yield strength of the pipes). Not considering the residual stresses in measurements carried through in situ to calculate the existing loads, as it is made most of the time, can cause significant errors in the determination of the efforts acting on the pipeline. The results of the simulations had shown that, if the residual stresses are low, the work loads obtained when the residual stresses are not considered are comparable with the correct loads. The procedures proposed for the determination of loads, considering the separation of the existing residual stresses, had presented smaller errors or closer to those when the calculation was made neglecting the residual stresses.

Nesse trabalho foram realizados experimentos para determinar as tensões residuais introduzidas no Aço A36, que é uma liga de baixo carbono e que é muito utilizado em vários setores da produção industrial, quando esta é submetida à soldagem do tipo MIG (Metal Gas Inert). A escolha desse tipo de soldagem foi para manter constantes os parâmetros que pudessem influenciar nos resultados. Nessa análise foi verificada a distribuição das tensões residuais na zona termicamente afetada, a distribuição da tensão em relação a profundidade. Para isso usamos uma remoção eletrolítica e um corte transversal pelo processo de eletroerosão. Nesse trabalho foi usado o método do sen2, devido a sua facilidade para a análise dos dados do Programa PSD. O resultado das mediadas realizadas na região do cordão de solda, zona termicamente afetada (ZTA) e metal base próxima da ZTA, mostrou uma variação da distribuição da tensão em relação à profundidade do material e na distância do ponto de soldagem. No ponto de soldagem um aumento da tensão em relação à profundidade do material. Os fatores que influenciaram na introdução dessas tensões no processo de soldagem, foram causados pelo gradiente de temperatura, pelo resfriamento heterogêneo do material e também pelo resfriamento rápido da superfície / In this work experiments were conducted to determine the residual stresses introduced in the A36 steel, which is an alloy of low carbon, which is widely used in various sectors of industrial production, when it is subjected to welding-type MIG (Metal Inert Gas). The choice of this type of welding was to keep constant the parameters that could influence the results. In this analysis we detected the distribution of residual stresses in the heat affected zone, the stress distribution over the depth. For this we use an electrolytic removal and a cross section through the process of spark erosion. In this study we used the method of sen2, due to its ease to the analysis of data from the PSD. The result showed a variation of stress distribution for the depth of the material and the distance from the point of welding. The welding point ran a rise in tension over the depth of the material. Factors influencing the introduction of these stresses in the welding process were caused by the temperature gradient by cooling the heterogeneous material and also by the rapid cooling of the surface

[pt] Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística. / [en] This study involved a complete evaluation of the mechanical and metallurgical properties of the base and the metal of welding for the material of the class API 5L X60. The characterization of the mechanical monotonic properties of fatigue of this steel included the evaluation of mechanical monotonic, cyclic, toughness, fatigue crack propagation potential drop and back strain deformation and microstructural evaluation. After quantifying the mechanical properties of API 5L X60 steel, residual tensions were then measured. Firstly, for the assessment of the profile of residual tensions throughout a welded joint a portable x-ray equipment was used. However, as this method presented considerable result dispersion, I opted for yet another technique for measuring residual tension, namely the Hole Drilling Method. As this technique also presented shortcomings (sigmaRES less or equal SE / 3), I suggest a numerical model that allows for the measuring of residual tensions for nominal loads which varies till the resistance of yielding. In addition, since the problems with the hole drilling technique are of great relevance, I also suggest the use of a rosette with 5 strain-gages so as not to restrict the measurement of residual tensions to a deterministic experiment.

[pt] O presente estudo descreve uma correlação entre o desempenho obtido por brocas de perfuração e o estado de tensões atuante na formação rochosa localizada imediatamente abaixo do fundo do poço. Os dados de desempenho de brocas de seis poços perfurados na costa marítima brasileira foram coletados e analisados. Tendo em vista reduzir o empirismo associado com este tipo de análise, é implementado um estudo que considera o perfil geomecânico do poço. O perfil geomecânico de uma dada formação rochosa é composto de suas propriedades mecânicas (módulo de Young, relação de Poisson, resistência à compressão simples, ângulo de atrito interno etc.), das pressões dos fluidos das formações e das tensões totais in situ. A dissertação mostra a sistemática utilizada para avaliar as tensões no fundo do poço através de um programa de elementos finitos 3D. Através destas tensões é possível definir um índice de plastificação à frente da broca de perfuração e o rendimento da mesma é avaliado levando este índice em conta. Alguns dos poços analisados foram perfurados em águas profundas, sendo que os resultados obtidos até o momento mostraram um grande potencial para a melhor compreensão de altos e baixos rendimentos com respeito à taxa de penetração da broca, de uma maneira racional. Baseados nesta análise novos estudos para avaliação de brocas poderão ser implementados indicando que reduções significativas de custo de perfuração poderão ser obtidas. / [en] The present dissertation describes a correlation between the bit performance and the state of stress acting upon the rock formation located immediately beneath the bottom of the wellbore. Bit performance data from 6 wells drilled offshore Brazil were collected and anlyzed. In order to reduce the empiricism associated with this type of data analysis, a study is being put forward that considers the geomechanical log along the drilled wellbore. The geomechanical log of a given rock formation is composed of its mechanical properties (Young's modulus, Poisson's Ratio, unconfined compressive strength, internal friction angle, etc.) as well as formation fluid pressure and in situ total stresses. The dissertation shows the metodology to evaluate the stresses at the bottom of the wellbore through a 3D finite element program. Trough these stresses it is possible to define an index of plastification ahead of the drill bit, and bit performance is rated taking this index into account. Some of the wells analyzed were drilled in deep water locations, and the initial results obtained herein, showed a great potential for better understanding for the good and bad performances, regarding the rate of penetration of the drill bit evaluation will be put forward with the great potential for drilling cost savings. / [es] El presente estudio describe la correlación entre el desempeño obtenido por brocas de perforación y las tensiones actuantes en la formación rocosa localizada debajo del fondo del pozo. Se colectaron y analizaron datos sobre el desempeño de brocas de seis pozos perforados en la costa marítima brasileira. Teniendo como objetivo reducir el empirismo asociado a este tipo de análisis, se implementa un estudio que considera el perfil geomecánico del pozo. El perfil geomecánico de una formación rocosa está compuesto de suas propriedades mecánicas (módulo de Young, relación de Pueson, resistencia a la compresión simple, etc.), de las presiones de los fluidos de las formaciones y de las tensiones totales in situ. La disertación muestra la sistemática utilizada para evaluar las tensiones en el fondo del pozo a través de un programa de elementos finitos 3D. A través de estas tensiones es posible definir un índice de plastificación al frente de la broca de perfuración y se evalúa su rendimiento llevando este índice en consideración. Algunos pozos analizados fueron perforados en aguas profundas, los resultados obtenidos hasta el momento mostraron un gran potencial para la mejor comprensión de altos y bajos rendimentos con respecto a la tasa de penetración de la broca, de una manera racional. Sobre este análisis nuevos estudios para evaluación de brocas pueden ser implementados indicando que pueden obtenerse reducciones significativas del costo de perforación.