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Análise aero-estrutural de um demonstrador da combustão supersônica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-12-14) Oliveira Júnior, Paulo César de; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Toro, Paulo Gilberto de Paula; https://orcid.org/0000-0002-3280-4244; http://lattes.cnpq.br/8765591637274439; https://orcid.org/0000-0001-8498-4075; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; https://orcid.org/0000-0003-1971-8410; http://lattes.cnpq.br/2368579966963896; Marinho, George Santos; Korzenowski, Heidi
No atual cenário do setor aeroespacial existe uma grande limitação relacionada à carga útil que se consegue lançar em órbita ou além. Os motores-foguete, tecnologia propulsiva em operação, possuem baixo impulso específico em comparação aos sistemas com propulsão aspirada (em geral, inclusive a tecnologia scramjet) que utilizam o ar atmosférico como oxidante. Durante o voo hipersônico, os veículos aeroespaciais com propulsão hipersônica aspirada estão sujeitos à elevados carregamentos aerodinâmicos e térmicos. Nesse contexto, no presente trabalho o objetivo principal é realizar análise aero-estrutural de um demonstrador da combustão supersônica genérico, nas condições de voo à altitude de 23 km e velocidade de 1723 m/s, correspondente a número de Mach 5,8. Na análise estrutural foram considerados casos com diferentes espessuras de chapa (6 mm, 4 mm, 3 mm e 2,5 mm) e os elementos que compõe o scramjet são de aço inox 304 (longarinas e nervuras), alumínio 7075 (rampas e painel lateral), inconel 718 ou tungstênio (bordos de ataque e entrada da câmara de combustão). Para execução da análise estrutural foi realizado projeto aerodinâmico e dimensional de um scramjet genérico, idealizado para acoplamento aos motores-foguete brasileiros S30 e S31. Foram aplicados critérios de otimização à seção de compressão, objetivando atingir as condições de temperatura e número de Mach requeridas na entrada da câmara de combustão para queimar hidrogênio espontaneamente. Na seção de expansão, o critério de otimização é baseado na verificação do ponto em que a condição de pressão é equivalente a do escoamento livre, definindo a região onde deverá ser realizado o acoplamento ao veículo acelerador. A carga aerodinâmica foi definida a partir de análise analítica e numérica, considerando o ar como gás caloricamente perfeito e desprezando os efeitos viscosos. No projeto e análise aerodinâmica avaliaram-se os casos sem injeção de combustível, portanto sem queima de combustível (power-off) e com injeção e queima de combustível (power-on), mas na análise estrutural apenas power-on foi considerado. A análise numérica do escoamento e a análise estrutural numérica foram respectivamente realizadas nos módulos Fluent e Static Structural do software Ansys. Na análise aerodinâmica evidenciou-se que, voando a uma altitude de 23 km com velocidade de 1723 m/s, o scramjet com três rampas de compressão, com ângulos de deflexão de 7,48°, 8,93° e 10,77° foi capaz de gerar, na entrada da câmara de combustão, velocidade correspondente a número de Mach 1,71 e temperatura estática de 1071,25 K, superior a 845,15 K, demonstrando a possibilidade de queimar hidrogênio. No bordo de fuga a velocidade do escoamento foi de 1688,96 m/s sem injeção e sem queima de combustível e 1806,98 m/s com injeção e queima de combustível, superior a 1723 m/s, demonstrando que o scramjet só é capaz de gerar empuxo com ignição do combustível. Para a análise numérica do escoamento, a malha não estruturada com elementos triangulares se mostrou mais adequada para capturar as condições do escoamento após as ondas de choque oblíquas estabelecidas na seção de compressão do scramjet, considerando o ar atmosférico como gás caloricamente perfeito e sem efeitos viscosos. Na análise aerodinâmica os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os resultados analíticos. Na análise estrutural verificou-se que o valor máximo de tensão equivalente de von Mises é inferior a tensão de escoamento dos materiais utilizados para casos com chapas de espessura de 3 mm ou superior. Nessas condições a estrutura trabalha em regime elástico, de modo que as deformações são recuperáveis caso os carregamentos sejam removidos. Apenas com chapas de 2,5 mm verificou-se escoamento das longarinas da estrutura interna em contato com as superfícies do combustor, região em que a estrutura é mais solicitada pelos carregamentos de pressão estática devido a adição de calor, a qual simula a queima de combustível. Além disso, o inconel 718 se mostra mais adequado que o tungstênio para aplicação nos bordos de ataque do demonstrador, fornecendo melhor capacidade mecânica e menor peso, e por este motivo sendo mais vantajoso para o projeto aero-estrutural do scramjet.
Análise comparativa entre dois vasos de pressão cilíndricos: Aço x PRFV
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2022-06-24) Oliveira, Fernando da Silva; Ferreira, Evans Paiva da Costa; http://lattes.cnpq.br/6994798590609919; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Freire Junior, Raimundo Carlos Silverio
Os vasos de pressão são equipamentos que contêm fluidos pressurizados em baixa ou alta pressão. Esses vasos são espaços de armazenamento para as mais variadas aplicações em processos industriais. São equipamentos que demandam responsabilidade técnica especializada para projeto, fabricação, manutenção e inspeção, e seu projeto deve considerar segurança e confiabilidade em suas operações. O objetivo deste trabalho consiste em uma análise comparativa de alguns parâmetros de um vaso de pressão hipotético feito de aço e outro vaso feito de compósito plástico reforçado com fibra de vidro (PRFV) para ter um diferencial de peso e comparação de custos em condições idênticas impostas aos vasos. Para tanto, foram realizados alguns cálculos inerentes ao vaso de pressão com geometria e dimensões pré-definidas, de acordo com normas literárias possibilitando a obtenção e comparação dos parâmetros desejados entre os dois materiais constituintes.
Análise de critérios de falha em lâmina reforçada com tecido híbrido de fibra de vidro e carbono
(2017-08-10) Campos, Virginia Bezerra Oliveira; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio; https://orcid.org/0000-0003-0920-7916; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; http://lattes.cnpq.br/9371291557315633; Dias, Avelino Manuel da Silva; https://orcid.org/0000-0001-8974-5137; http://lattes.cnpq.br/1142442322601442; Costa Júnior, João Carlos Arantes; https://orcid.org/0000-0001-8498-4075; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Ferreira, Lucemaide Batista Miranda; http://lattes.cnpq.br/9210730248288554
A constante busca de materiais mais eficientes e com alto desempenho mecânico, contribue efetivamente para a crescente demanda na utilização de compósitos híbridos. O processo de hibridização pode propiciar melhoria significativa na combinação global de propriedades, possibilitando assim aplicações específicas em elementos estruturais que requerem excelência em suas propriedades mecânicas e baixa massa específica. Atrelado à gradativa utilização destes materiais, estudos que incidem nas previsões de falha e, consequentemente, análises das cargas máximas que estes materiais podem suportar tornam-se essenciais para garantia da confiabilidade quanto a sua aplicação. Neste sentido, a presente pesquisa buscou analisar o comportamento mecânico de uma lâmina constituída à base de tecido híbrido bidirecional (vidro/carbono) e resina epóxi éster-vinílica. Bem como, avaliar a representatividade de critérios de falhas desenvolvidos para compósitos unidirecionais quando aplicados em compósito híbrido de natureza bidirecional. A lâmina estudada foi caracterizada mecanicamente com base nos resultados obtidos pelos ensaios de tração e cisalhamento realizados em amostras com fibras de carbono orientadas a 0°, 30°, 45°, 60° e 90°. Observou-se a partir destes ensaios que materiais com fibras em ângulos fora do eixo (off-axis) de aplicação de carga apresentam resistência menor, embora apresentem maiores alongamentos, quando comparados a amostras com fibras alinhadas na direção principal do carregamento. Os dados experimentais referentes às propriedades cisalhantes, normatizados pela ASTM D3518M-13 (ensaio de cisalhamento por tração ±45°) e ASTM D5379-12 (ensaio de Iosipescu), apresentaram diferenças significativas para a resistência ao cisalhamento e similaridade nos valores do módulo de cisalhamento. O ensaio de tração ±45°, conforme análise macromecânica, mostrou-se como o mais adequado para compósito com características similares ao analisado. Ao inserir os dados dos ensaios nas equações teóricas que definem os critérios de falhas da Máxima Tensão, Tsai-Hill, Tsai-Wu e Hashin e, analisá-los estatisticamente, contatou-se que estas teorias de falhas descrevem satisfatoriamente o comportamento experimental da lâmina, e, portanto, podem ser utilizados para predizer a resistência mecânica em compósitos como o avaliado, embora se tenha observado índices de representatividade maiores quando se utiliza o ensaio de cisalhamento por tração ±45°.
Análise de critérios de falhas em lâminas reforçadas com tecidos unidirecionais de fibra de curauá
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-08-06) Ferreira, Lucemaide Batista Miranda; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio; Aquino, Eve Maria Freire de; ; http://lattes.cnpq.br/1196595599227394; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; ; http://lattes.cnpq.br/9210730248288554; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Ribeiro, Kilder Cesar de Araújo; ; http://lattes.cnpq.br/2642512473401139; Felipe, Renata Carla Tavares Santos; ; Tino, Sérgio Renan Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/1420276778914253
O presente trabalho tem como objetivo fazer uma análise das propriedades mecânicas e do comportamento mecânico de duas lâminas reforçadas com tecido unidirecional de fibra de curauá com diferentes frações volumétricas, baseado em critérios de falha definidos em literatura. Os compósitos, que apresentam matriz polimérica e reforço com tecido unidirecional de fibra de curauá, foram submetidos a ensaios de tração e cisalhamento em uma série de corpos de provas normatizados cuja orientação das fibras direcionadas em ângulos de 0⁰, 10⁰, 20⁰, 75⁰ e 90⁰ para a lâmina com fração volumétrica de 30% e 0⁰, 30°, 45°, 60°, e 90° para a lâmina com fração volumétrica de 22%, para ensaios de tração e para ensaio de cisalhamento a orientação do ângulo do reforço foi de 90°. Os ensaios foram executados em uma máquina universal de tração e coletados os dados das propriedades mecânicas dos corpos de prova dos compósitos. Estes dados experimentais foram inseridos nas equações teóricas que definem os critérios de falha, como também, tratados graficamente para análise dos resultados e comparação entre os ângulos de orientação do reforço. Constatou-se uma grande dispersão entre os dados experimentais do módulo de Elasticidade e do Coeficiente de Poisson em relação ao comportamento teórico principalmente para a lâmina com menor fração volumétrica. O compósito com orientação de reforço a 0° apresentou a maior resistência à tração em relação às demais inclinações para as duas lâminas. No entanto, em relação aos critérios de falha as lâminas tiveram comportamentos diferentes. Para a lâmina com fração volumétrica 30%, os quatro critérios estudados nesta Tese apresentaram boa concordância em termos de resistência, mas para a lâmina com fração volumétrica de 22%, apenas o critério de Tsai-Will e Hashin apresentaram boa concordância. .
Análise de tensões integrada a sistema de engenharia reversa para projeto e confecção de próteses
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-01-24) Borges, Lúcio Mauro Souza; Guerra, Angelo Roncalli Oliveira; ; http://lattes.cnpq.br/7353332474621022; ; Ferreira, Benedito de Jesus Pinheiro; ; http://lattes.cnpq.br/7709951222407913; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996
Este trabalho consiste na concepção, desenvolvimento e implementação de um Módulo Computacional CAE contendo algoritmos para a análise de tensões e deformações integrado a um software acadêmico de visualização denominado OrtoCAD. Os algoritmos de expansão para a interface CAE que são frutos desse trabalho foram desenvolvidos na linguagem FORTRAN objetivando complementar e ampliar as potencialidades de dois trabalhos previamente desenvolvidos no âmbito do PPGEM-UFRN, a saber: projeto e fabricação de um Leitor EletroMecânico e o software OrtoCAD. O OrtoCAD é uma interface CAD que, originalmente, inclui a visualização 3D de cartuchos protéticos a partir de dados gerados por um equipamento (espécie de scanner tridimensional simplificado que utiliza engenharia reversa) dotado de um sistema de Leitura Eletro-Mecânica (LEM). Inicialmente, a geometria de um coto (i.e. parte remanescente de uma perna amputada e onde a prótese se encaixa) é obtida a partir dos dados produzidos pelo equipamento LEM, aplicando-se os conceitos da Engenharia Reversa. O núcleo FEA proposto aplica os conceitos de teoria da casca, onde uma lâmina 2D é gerada a partir de um peça sólida 3D oriunda do OrtoCAD. O programa de análise de casca desenvolvido utiliza o Método dos Elementos Finitos (MEF) para a descrição da geometria assim como a análise de comportamento do material, fazendo a utilização de elementos de base Lagrangeana quadrangular de nove nós e campo de deslocamento de ordem superior para melhor descrição do campo de tensões na espessura. Como resultado o novo módulo FEA oferece ótimas vantagens ao prover o OrtoCAD com novas funcionalidades, a saber: possibilitou a independência dos softwares comerciais de elevado custo; ampliou a biblioteca disponibilizando novas rotinas computacionais que tratam o problema de forma mais realística utilizando critérios de falhas de engenharia voltados para materiais compósitos; melhorou a performance da análise FEA ao utilizar um elemento de malha específico que contempla um maior número de nós e, finalmente, possui a vantagem de ser aberto e customizado oferecendo versatilidade intrínseca e amplas possibilidades de edição, ajuste e/ou otimização que se façam necessárias no futuro
Análise do puncionamento do AHSS Ferrítico-Bainítico (FB590) em temperaturas ambiente e criogênica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2023-12-15) Barbosa, Jonas Medeiros de Azevedo; Oliveira, Adilson José de; Costa Júnior, João Carlos Arantes; https://orcid.org/0000-0001-8498-4075; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; https://orcid.org/0000-0001-6104-569X; http://lattes.cnpq.br/3158071963293362; http://lattes.cnpq.br/8078447131788495; Ferreira, Jetson Lemos; Castro, Nicolau Apoena
Os aços avançados de alta resistência (AHSS) são utilizados em estruturas veiculares por permitir uma combinação entre resistência mecânica e conformabilidade nos processos de manufatura, visando à redução da massa do veículo. Esses aços são comumente fornecidos em chapas finas, e precisam passar por etapas de conformação e de estampagem para definição da geometria do produto, sendo uma das etapas críticas o corte por puncionamento. O AHSS Ferríta-Bainita (FB) se destaca por apresentar elevada conformabilidade local, possibilitando a obtenção de reforços estruturais como flanges. O comportamento dos AHSS envolve valores limite de deformação plástica e resistência à tração elevadas e, durante a operação de puncionamento, varia em função de parâmetros como folga de corte, geometria do punção e temperatura. Modelos para avaliar os efeitos de temperaturas superiores a ambiente em operações de conformação estão disponíveis na literatura, mas há carência de estudos em temperaturas criogênicas. Visando estudar o comportamento desse material, esta pesquisa tem como objetivo simular o puncionamento do AHSS FB590 em temperatura ambiente e criogênica, para analisar a influência da transição dúctil-frágil na borda de corte. Uma metodologia para obtenção de dados de triaxialidade e deformação plástica, necessários para calibração dos modelos constitutivos, foi desenvolvida utilizando a correlação de imagem digital (CID) com o objetivo de determinar o momento de fratura. As simulações de expansão de furos evidenciaram que um incremento no diâmetro final do furo de 4,7 mm pode ser obtido com a alteração da operação anterior de puncionamento de temperatura ambiente para criogênica.
Análise gráfica de estruturas porosas sobre a ótica da estereologia
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2011-06-30) Moura, Egnilson Miranda de; Gomes, Uilame Umbelino; ; http://lattes.cnpq.br/9858094266525225; ; http://lattes.cnpq.br/7674174466433929; Silva, Angelus Giuseppe Pereira da; ; http://lattes.cnpq.br/1435330862718379; Costa, Franciné Alves da; ; http://lattes.cnpq.br/8698567925323942; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Matias, ítalo de Oliveira; ; http://lattes.cnpq.br/1581464790773914
Neste trabalho foi desenvolvido um programa de simulação computacional física de estruturas porosas com base em linguagem de programação C++ utilizando uma placa Geforce 9600 GT com o chip da Physx, originalmente desenvolvida para jogos eletrônicos. Com essa ferramenta, a capacidade de interação física entre os objetos simulados é ampliada, possibilitando simular uma estrutura porosa, como por exemplos, rochas reservatórios ou estruturas com alta densidade. O procedimento inicial para desenvolvimento da simulação porosa é a construção de uma estrutura cúbica constituída de esferas com um único tamanho e com tamanhos variados. Além disso, podem ser ainda simuladas estruturas com variadas frações de volumes. Os resultados apresentados estão divididos em duas partes: a primeira, as esferas serão consideras como grãos sólidos, ou seja, a fase matriz representa a porosidade; a segunda, as esferas estão sendo considerada com poros. Neste caso a fase matriz representa a fase sólida. As simulações nos dois casos são as mesmas, mas as estruturas simuladas são intrinsecamente distintas. Para validar os resultados apresentados pelo programa, foram realizadas simulações variando a quantidade de grãos, a distribuição de tamanhos de grãos e a fração de vazio na estrutura. Todos os resultados apresentados mostraram-se estatisticamente confiáveis e em concordância com os apresentados na literatura. Os valores médios e as distribuições dos parâmetros estereológicos mensurados, como intercepto linear, perímetro de seção de área, área de seção e livre caminho médio estão de acordo com os resultados obtidos na literatura para as estruturas simuladas. Os resultados podem auxiliar a compreensão de estruturas reais.
Análise não-linear de treliças pelo método dos elementos finitos posicional
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-02-28) Lacerda, Estéfane George Macedo de; Scudelari, Ada Cristina; ; http://lattes.cnpq.br/6556306307432176; ; http://lattes.cnpq.br/1763651349773729; Maciel, Daniel Nelson; ; http://lattes.cnpq.br/4343155598427033; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Miná, Alexandre José Soares; ; http://lattes.cnpq.br/3108651560747878
Este trabalho apresenta a formulação posicional não linear geométrica para treliças usando diferentes medidas de deformação. A formulação posicional é uma abordagem alternativa para problemas não lineares. Essa formulação considera as posições nodais como variáveis do sistema não linear em vez dos deslocamentos (que é largamente utilizado na literatura). O trabalho também descreve o método do comprimento de arco, usado para traçar caminhos de equilíbrio com snap-through e snap-back. Aplicações numéricas com treliças já consagradas na literatura e comparações com outros trabalhos são fornecidos para provar a acurácia da formulação proposta
Análise numérica da estrutura de trave para fabricação de caçambas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025-01-13) Silva, Gladson Fonthainny Pinheiro da; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Ferreira, Evans Paiva da Costa; Costa, Franciné Alves da
O setor de transportes e de máquinas pesadas tem se apresentado, ao longo da história, como um dos destaques na economia do país. O desenvolvimento desse seguimento tem contribuições tanto do setor de logística, bem como do setor de fabricação. Considerando a alta demanda das empresas presentes na indústria de fabricação de caçambas, bem como seu estado atual de processos de fabricação, que se encontra ainda rudimentar, o presente trabalho apresenta, como proposta, uma máquina de “costelar” caçambas, capaz de proporcionar uma maior qualidade no processo de fabricação, bem como padronização, segurança e produtividade. Para a realização deste trabalho, foi implementado um pórtico, modelado como um conjunto de vigas, de seção tipo “U”, submetido às cargas de atuadores, que posicionam e fixam as costelas à caçamba, para que as partes sejam soldados. Deste modo, tal equipamento, também chamado de “trave”, é o objeto de estudo dessa pesquisa. Em sua avaliação estrutural foram analisados aspectos de sua performance estrutural, tais como distribuição de tensões, comportamento na região de solda, de modo a entender o comportamento mecânico do projeto e seu nível de segurança.
Biomecânica e otimização topológica com H-adaptatividade em implantes dentários nitretados a plasma em cátodo oco
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2014-06-10) Coutinho, Karilany Dantas; Costa Júnior, João Carlos Arantes; Guerra Neto, Custódio Leopoldino Brito; ; http://lattes.cnpq.br/5387010100082241; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; ; http://lattes.cnpq.br/8409211766785367; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silvério; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; Wanderley, Caroline Dantas Vilar; ; http://lattes.cnpq.br/7861700022912054; Costa, Thércio Henrique de Carvalho; ; http://lattes.cnpq.br/3647710047561421
Nos últimos anos tem-se observado um grande crescimento em tecnologias para modificação de superfícies de implantes que reduzam o tempo de espera da cicatrização, assim como possibilite seu uso com sucesso em áreas de baixa densidade óssea. Dentre as diferentes técnicas, a nitretação por plasma desponta como forte candidata, uma vez que a mesma já está sendo empregada com excelentes resultados no titânio e suas ligas, aplicados com maior frequência na confecção de implantes de quadril, ombro e tornozelo. Entretanto, seu uso em implantes dentários é bastante limitado devido às altas temperaturas do processo (entre 700 C o e 800 C o ) resultando em distorções nessas peças que possuem geometria complexa e alto grau de precisão. O objetivo deste trabalho é avaliar a osseointegração e resistência mecânica de amostras de titânio grau II nitretadas, através da configuração de descarga em cátodo oco. Além disto, propor formulações para determinação da topologia ótima estrutural do implante dentário em estudo, com o intuito de aperfeiçoar sua forma, que seja eficiente, competitiva e com alta definição. No processo de nitretação, as amostras foram tratadas em temperatura a de 450 oC e pressão de 150 Pa , durante 1 hora de tratamento. Esta condição foi escolhida por apresentar os melhores resultados de molhabilidade em trabalhos anteriores, onde sistematizou-se diferentes condições de pressão, temperatura e tempo. As amostras tratadas foram caracterizadas por Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura, Rugosidade, Microdureza e Molhabilidade. Posteriormente, foram realizados ensaios biomecânicos de fadiga. Finalizando com uma proposta de formulação através do método de otimização topológica tridimensional, combinado a um processo de refino h-adaptativo. Os resultados mostraram que a nitretação a plasma, utilizando a técnica de descarga em cátodo oco, produziu mudanças na textura superficial dos corpos de prova, aumento da rugosidade superficial, da molhabilidade e da microdureza quando comparado a amostra sem tratamento. No ensaio biomecânico de fadiga, o implante tratado não apresentou sinal de falha, após cinco milhões de ciclos, a uma carga máxima de fadiga de 84, 46 N . Os resultados do processo de otimização topológica apresentaram leiautes otimizados bem definidos do implante dentário, com uma nítida distribuição de material e definição do contorno.
Comportamento mecânico de compósitos poliméricos híbridos: estudos experimentais, analíticos e numéricos
(2017-06-12) Batista, Ana Cláudia de Melo Caldas; Aquino, Eve Maria Freire de; Nóbrega, Selma Hissae Shimura da; ; http://lattes.cnpq.br/3401274958916898; ; http://lattes.cnpq.br/1196595599227394; ; http://lattes.cnpq.br/1104066454901067; Ferreira, Evans Paiva da Costa; ; http://lattes.cnpq.br/6994798590609919; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Felipe, Raimundo Nonato Barbosa; ; http://lattes.cnpq.br/7520491414631153; Tino, Sérgio Renan Lopes; ; http://lattes.cnpq.br/1420276778914253
Os tecidos híbridos a base de fibras sintéticas vêm sendo desenvolvidos pelo setor industrial como nova alternativa de reforço para compósitos poliméricos. Neste sentido, surge a necessidade do conhecimento das características mecânicas desses compósitos poliméricos com tecidos híbridos, que até o presente momento foram pouco estudados. Em determinadas condições de projetos, três características são significativas: anisotropia, presença de descontinuidades geométricas e forma de hibridização. Esta tese busca contemplar todas essas influências com o estudo de dois laminados compósitos, utilizando dois tecidos: o tecido híbrido de fibras de Carbono/Vidro e o tecido híbrido de fibras de Carbono/Aramida, ambos tendo como matriz a resina epóxi Éster Vinílica. Para obtenção dos laminados foi utilizado o processo de fabricação de laminação manual (Hand-lay-up). Para o estudo proposto foram realizados os ensaios de tração uniaxial nos corpos de provas de forma que todos os diferentes tipos de fibras tivessem sua orientação coincidente com a direção da carga aplicada, além da orientação das fibras a ±45° com o objetivo de conhecer o comportamento ao cisalhamento para ambos os laminados. Os ensaios foram realizados, tanto para a condição original (sem furo) quanto para a condição com a descontinuidade geométrica (caracterizada como um furo central, que para a orientação de fibra de melhor desempenho mecânico teve seu diâmetro variável). Estudos das propriedades de resistência última, rigidez e características da fratura mecânica (macroscópica e microscópica) foram desenvolvidos. Para influência da relação w/D (largura do CP/diâmetro do furo) foi realizado um estudo analítico tendo como base a avaliação do fenômeno da concentração de tensão a partir dos critérios de falhas: Critério da Tensão Pontual (Point Stress Criterion -PSC) e Critério da Tensão Média (Average Stress Criterion - ASC), assim como um estudo numérico utilizando o Método de Elementos Finitos. Nesses estudos o objetivo central foi à determinação do fator de concentração de tensão (K) dos materiais propostos, usando tanto a influência dos módulos elásticos quanto unicamente dos parâmetros geométricos. Os estudos mostraram que o comportamento mecânico e característica da fratura foram fortemente influenciados pela anisotropia e hibridização e a descontinuidade geométrica. Os modelos analíticos e numéricos obtiveram resultados em concordância com os encontrados na literatura. Palavras chaves: Tecidos híbridos, descontinuidade geométrica, anisotropia, hibridização.
Compósitos poliméricos reforçados por tecidos multiaxiais acoplados: anisotropia, configuração e concentração da deformação
(2017-12-14) Fontes, Raphael Siqueira; Aquino, Eve Maria Freire de; ; ; Ferreira, Evans Paiva da Costa; ; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio; ; Tino, Sérgio Renan Lopes; ; Amorim Júnior, Wanderley Ferreira de;
A proposta desta Tese de Doutorado é determinar a influência na resposta mecânica de laminados compósitos à base de tecidos multiaxiais acoplados de fibras de vidro-E e matriz epóxi éster vinílica, quando em presença de descontinuidade geométrica, aqui caracterizada por um furo circular. Nesse estudo do fenômeno da concentração de tensão é dado ênfase ao comportamento da deformação na vizinhança do furo, tendo em vista a característica do tecido de reforço ter suas camadas básicas acopladas através de fios de costura, tornando-os mais compactos em sua capacidade de suporte de carga. Esse estudo é desenvolvido a partir da medição das deformações na vizinhança do furo, utilizando a técnica de medição por Extensometria, frente aos ensaios de tração uniaxial. Por fim, serão apresentados os resultados em termos quantitativos sobre o efeito da presença da descontinuidade geométrica, mediante os cálculos da Resistência Residual (RS), do Módulo Residual (RM) e dos Fatores de Concentração de Tensão (K, calculados a partir de variados métodos analíticos), além da determinação das distribuições das deformações (obtidas das leituras dos extensômetros) na vizinhança do furo nos laminados em estudo, nas orientações 0°, 90° e 45° dos CPs. Essas distribuições são validadas utilizando a solução analítica proposta por Lekhnitskii (1968) e Konish e Whitney (1975), amplamente utilizada para materiais compósitos ortotrópicos. Ao ser efetuada a comparação entre os valores medidos experimentalmente e as distribuições analíticas das deformações, observou-se pouca interferência dos valores de K adotados para a obtenção das curvas analíticas, resultando numa concordância entre os valores obtidos pelos extensômetros e o modelo analítico.
Consideração de efeitos térmicos em sólidos bidimensionais não lineares
(2019-03-29) Saraiva, Marcos Daian Figueiredo da Silva; Maciel, Daniel Nelson; ; ; Nascimento Neto, Joel Araújo do; ; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; Greco, Marcelo;
Neste trabalho, aborda-se o estudo do comportamento termomecânico de sólidos bidimensionais, levando em consideração os efeitos das não linearidades física e geométrica. Os efeitos térmicos são considerados mediante formulação fundamentada na primeira e segunda leis da termodinâmica e energia livre de Helmholtz, necessários para análise do comportamento termoelástico e termoplástico na resposta dinâmica estrutural. O Método dos Elementos Finitos Posicional é empregado como formulação não linear geométrica, onde adota-se as posições nodais como incógnitas ao invés dos deslocamentos. Com relação à resposta dinâmica, são feitas comparações utilizando-se de diversos algoritmos de integração temporal. Estuda-se também, a resposta termomecânica em problemas de impacto contra anteparo rígido através da condição de penetração nula. O desenvolvimento das rotinas computacionais para os diversos problemas propostos geram resultados numéricos que são confrontados com aqueles obtidos na literatura especializada, evidenciando a precisão da formulação aqui proposta.
Contribuição ao estudo de treliças não lineares considerando efeitos térmicos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2016-03-11) Cavalcante, João Paulo de Barros; Maciel, Daniel Nelson; Scudelari, Ada Cristina; ; http://lattes.cnpq.br/6556306307432176; ; http://lattes.cnpq.br/4343155598427033; ; http://lattes.cnpq.br/7872831489261761; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Greco, Marcelo; ; http://lattes.cnpq.br/7953197985531154
O presente trabalho consiste na análise numérica via Método dos Elementos Finitos (MEF) de treliças submetidas a carregamentos térmicos, mecânicos e suas respectivas interações. A metodologia proposta baseia-se no teorema da mínima energia potencial, escrita em relação as posições nodais ao invés dos deslocamentos para lidar com problemas termomecânicos, levando-se em consideração os efeitos das não linearidades física e geométrica. Referente aos problemas dinâmicos, a solução da equação de equilíbrio é alcançada através da discretização temporal perante diferentes algoritmos de integração temporal, explícitos e implícitos. A formulação é estendida para problemas de impacto entre treliças e anteparo rígido, onde as posições nodais são restringidas através da condição de penetração nula. Sendo assim, apresenta-se uma formulação termodinamicamente consistente, fundamentada na primeira e segunda lei da termodinâmica e na energia livre de Helmholtz, para analisar problemas dinâmicos de estruturas treliçadas com comportamento termoelástico e termoplástico. A implementação dos problemas consiste no desenvolvimento de rotinas computacionais, sendo os resultados numéricos da formulação proposta confrontados com exemplos encontrados na literatura especializada.
Controle inteligente de sistemas subatuados com aplicações em problemas de mecânica do contato
(2017-06-28) Fernandes, Josiane Maria de Macedo; Bessa, Wallace Moreira; http://lattes.cnpq.br/3256782908311485; http://lattes.cnpq.br/3438701343488110; Costa Júnior, João Carlos Arantes; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Melo, Júlio César Paulino de; http://lattes.cnpq.br/2930421117873633; Araújo, Márcio Valério de; http://lattes.cnpq.br/0827462439273599; Farias, Aline Cristina Mendes de; http://lattes.cnpq.br/9603161534939649; Dantas, André Felipe Oliveira de Azevedo; http://lattes.cnpq.br/8684342148910073
Neste trabalho é desenvolvida uma estratégia de controle não linear baseada no controle por modos deslizantes com compensação neural para estabilização de sistemas subatuados sujeitos a vibrações torcionais. No intuito de analisar o desempenho da abordagem proposta, a lei de controle foi implementada em uma coluna de perfuração. As colunas de perfuração são discretizadas em n partes. A atuação é dada no top drive, ou na mesa rotativa na extremidade superior da coluna, e todo o restante da coluna não recebe atuação. As vibrações torcionais abordadas neste trabalho são do tipo stick-slip, que é o caso mais crítico desse tipo de vibração, cuja não linearidade é geralmente causada pelo atrito entre a coluna e a formação, podendo ocorrer em qualquer ponto ao longo da coluna e deve ser levado em consideração na modelagem. O controle por modos deslizantes apresenta robustez frente a incertezas paramétricas e perturbações. A estratégia adotada não requer o conhecimento prévio de incertezas e não linearidades do sistema. No entanto, a função descontínua utilizada na lei de controle pode gerar o fenômeno de chattering, que em atuadores mecânicos é indesejável. Para atenuar o chattering, uma função suave é utilizada no lugar da descontínua, sendo essa abordagem ocasionadora de diminuição no desempenho do controlador. Nesse ponto, técnicas de inteligência artificial podem contribuir na lei de controle para devolver o desempenho ou parte dele ao sistema. Duas arquiteturas de rede são empregadas para estimar a compensação, uma rede do tipo perceptron de múltiplas camadas e uma rede de funções de base radial. As superfícies de controle são definidas como uma combinação linear dos erros dos estados do sistema e uma rede neural é adicionada para compensar a formação de ciclos limites, comumente apresentados após a perda de eficácia. Resultados são apresentados para demonstrar a performance do sistema de controle proposto.
Controle inteligente de vibrações utilizando amortecedor magneto reológico
(2017-06-27) Tanaka, Marcelo Costa; Bessa, Wallace Moreira; ; http://lattes.cnpq.br/3256782908311485; ; http://lattes.cnpq.br/6047363406977714; Farias, Aline Cristina Mendes de; ; http://lattes.cnpq.br/9603161534939649; Dantas, André Felipe Oliveira de Azevedo; ; http://lattes.cnpq.br/8684342148910073; Melo, Julio Cesar Paulino de; ; http://lattes.cnpq.br/2930421117873633; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Araújo, Márcio Valério de; ; http://lattes.cnpq.br/0827462439273599
Amortecedores que utilizam fluido magneto reológico são amplamente utilizados em aplicações industriais, tais como no controle de vibrações de máquinas ferramentas e em construções sujeitas a abalos sísmicos, na indústria automobilística em suspensões ativa ou semiativa, bem como sistemas de embreagens e freios, e na área de biomecânica em próteses inteligentes e interfaces hápticas na qual simulam o sensoriamento tátil. Eles apresentam diversas características desejáveis como alta controlabilidade de força, baixo consumo energético, estabilidade, ampla faixa operacional de temperatura, tempo de resposta rápido e tamanho compacto. No entanto, o controle preciso desse dispositivo, devido à sua inerente característica não linear, não pode ser facilmente obtido com os controladores lineares convencionais e até mesmo por controladores mais robustos na ausência de uma perfeita modelagem do seu comportamento dinâmico. Hoje em dia, graças ao desenvolvimento da Teoria da Estabilidade, proposta pelo matemático russo Lyapunov, e com os avanços da tecnologia computacional, as técnicas de controle não linear vêm sendo cada vez mais utilizadas. Questões ecológicas, social e econômicas têm levado a indústria automobilística a uma crescente demanda por metodologias e tecnologias eficientes no controle de vibrações em suspensões semiativas. Desta forma, este trabalho descreve o desenvolvimento de um controlador não linear, baseado no método de controle por modos deslizantes com a inclusão de uma estratégia de compensação utilizando a lógica fuzzy, implementada matematicamente na dinâmica do modelo de um sistema de amortecimento de um quarto de veículo, utilizando amortecedor magneto reológico. Resultados numéricos são apresentados para demonstrar o desempenho do sistema de controle.
Controle por modos deslizantes com compensação difusa aplicado a sistemas com descontinuidade
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-11-13) Santos, João Deodato Batista dos; Bessa, Wallace Moreira; ; http://lattes.cnpq.br/3256782908311485; ; http://lattes.cnpq.br/8335903462939491; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Souza, Roberto Silva de; ; http://lattes.cnpq.br/4012782800846844
O desenvolvimento de controladores não lineares ganharam espaço nos âmbitos teórico e de aplicações práticas no momento que o surgimento de computadores digitais possibilitou a implementação destas metodologias. Em comparação aos controladores lineares mais utilizados, os controladores não lineares apresentam a vantagem de não necessitarem da linearização do sistema para determinar os parâmetros de controle, o que permite um controle mais eficiente principalmente quando o sistema apresenta elevado grau de não linearidade. Outra vantagem adicional é a redução dos custos, uma vez que para obter o controle eficiente através dos controladores lineares é necessária a utilização de sensores e atuadores mais refinados do que quando se utiliza um controlador não linear. Dentre as teorias de controle não linear, o método de controle por modos deslizantes se destaca por ser um método que apresenta maior robustez frente às incertezas. Já é comprovado que a adoção de técnicas de compensação na região do erro residual permite melhorar ainda mais o desempenho desses controladores. Assim, neste trabalho é descrito o desenvolvimento de um controlador não linear que busca a associação da estratégia de controle por modos deslizantes com a técnica de compensação fuzzy. Mediante a implementação de algumas estratégias de compensação fuzzy, buscou-se aquela que proporcionasse maior eficiência frente a um sistema com elevado grau de não linearidades e incertezas. O atuador eletrohidráulico foi utilizado como exemplo de estudo, e os resultados apontam para duas configurações de compensação que permitem uma maior redução do erro residual
Descontinuidade na seção transversal em laminados compósitos poliméricos: efeitos e propriedades
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2010-02-26) Tinô, Sérgio Renan Lopes; Aquino, Eve Maria Freire de; ; http://lattes.cnpq.br/1196595599227394; ; http://lattes.cnpq.br/1420276778914253; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silvério; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; Silva, Luiz Claudio Ferreira da; ; http://lattes.cnpq.br/3812459994118013
A crescente demanda na utilização de materiais compósitos torna imprescindível uma melhor compreensão do seu comportamento frente às mais diversas condições de carga e serviço, bem como sob as variadas formas de conexões (fixações) envolvendo mecanismos nos projetos estruturais. Sabe-se que a maioria dos elementos estruturais é projetada com presença de descontinuidades geométricas (furos, entalhes, ranhuras, etc) em suas seções longitudinais e/ou transversais, e que essas descontinuidades alteram a resposta mecânica desses elementos. Este trabalho tem como objetivo analisar um estudo da resposta mecânica, quando em presença de descontinuidade geométrica, de laminados compósitos de matriz polimérica/fibras de vidro frente ao ensaio de tração uniaxial. A descontinuidade geométrica é caracterizada pela presença de um furo concêntrico na seção transversal do compósito. Nesse estudo, diferentes tipos de configurações são testados, com e sem a presença do furo, de forma a proporcionar melhor entendimento das propriedades mecânicas. Neste sentido, dois laminados compósitos poliméricos foram estudados: o primeiro é unicamente reforçado com sete camadas de mantas de fibras curtas de vidro-E (CM) e o segundo onde o reforço de fibras de vidro-E vem na forma de tecido bidirecional (CT), com apenas quatro camadas. O laminado CT tem a presença da anisotropia (sentido das fibras contínuas com relação à carga aplicada) como principal parâmetro influenciando no comportamento mecânico do mesmo, comportamento este, não observado para o CM. Além das propriedades mecânicas, também foi estudado as características da fratura desenvolvidas em cada laminado compósito. Os resultados mostraram que, em um estudo comparativo, a presença do furo concêntrico na seção transversal diminuiu a resistência última dos laminados e alterou a característica final da fratura em todos os tipos de laminados compósitos estudados
Desenvolvimento da célula base de microestruturas periódicas de compósitos sob otimização topológica
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2015-08-07) Silva Júnior, Dorgival Albertino da; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; ; http://lattes.cnpq.br/5686657441961897; Santos, Antonio Marques dos; ; http://lattes.cnpq.br/6970575408586491; Maciel, Daniel Nelson; ; http://lattes.cnpq.br/4343155598427033; Coutinho, Karilany Dantas; ; http://lattes.cnpq.br/8409211766785367; Santos, Laura Camila Diniz dos; ; http://lattes.cnpq.br/9391986710596212
Esta tese desenvolve uma nova técnica para projetos de microestruturas de compósitos pelo processo de Otimização Topológica, com objetivo de maximizar a rigidez, fazendo uso do Método da Energia de Deformação e utilizando um esquema de refino h-adaptativo visando obter uma melhor definição do contorno topológico da microestrutura. Isso é feito ao se distribuir material de forma otimizada em uma região de projeto preestabelecida denominada como Célula Base. Neste trabalho, o Método dos Elementos Finitos é utilizado para descrição do domínio e para solução da equação de governo. A malha é refinada de forma iterativa de modo que o refino da malha de elementos finitos é feito em todos os elementos que representem materiais sólidos e todos os elementos vazios que contenham ao menos um nó em uma região de material sólido. O elemento finito escolhido para o modelo de aproximação é o triangular linear de três nós. Já para a resolução do problema de programação não linear com restrições foi utilizado o Método Lagrangiano Aumentado e um algoritmo de minimização com base na direção do tipo Quasi-Newton e das condições de Armijo-Wolfe auxiliando no processo de descida. A Célula Base que representa o compósito é encontrada a partir da equivalência entre um material fictício e um material preescrito, distribuído de forma ótima na região de projeto. A utilização do Método da Energia de Deformação se justifica por proporcionar menor custo computacional devido a uma formulação mais simplificada do que o tradicional Método de Homogeneização. Os resultados são apresentados com mudança na prescrição de deslocamento, com mudança na restrição de volume e a partir de vários valores iniciais das densidades relativas.
Desenvolvimento de diagramas de vida constante probabilísticos de compósitos utilizando RNA modular
(2017-03-20) Diniz, Bruno da Cunha; Freire Júnior, Raimundo Carlos Silverio; ; http://lattes.cnpq.br/1042806990155996; ; http://lattes.cnpq.br/2022146558295249; Belisio, Adriano Silva; ; http://lattes.cnpq.br/7913271812346790; Melo, Anderson Clayton Alves de; ; http://lattes.cnpq.br/5242440649066569; Costa Júnior, João Carlos Arantes; ; http://lattes.cnpq.br/5028446242533356; Felipe, Raimundo Nonato Barbosa; ; http://lattes.cnpq.br/7520491414631153
Em projetos mecânicos, além dos carregamentos estáticos, outro tipo de solicitação muito frequente é o carregamento cíclico nos quais a carga varia ao longo do tempo. Estruturas e equipamentos, quando sujeitos a esses carregamentos, devem ser submetidos a uma grande quantidade de ensaios mecânicos para sua caracterização. Porém, devido ao tempo e custo elevados dos ensaios para caracterização do comportamento devido aos carregamentos cíclicos, a situação ideal seria obtê-lo com um número mínimo de amostras e, por conta disso, desenvolveu-se em trabalhos anteriores modelos matemáticos que representavam o comportamento à fadiga de compósitos com uma quantidade mínima de dados experimentais. Apesar dos resultados se apresentarem satisfatórios na imensa maioria dos casos, estes modelos sempre consideram um comportamento determinístico do material, desprezando-se um fator de grande importância na fadiga, a dispersão dos resultados. Conforme é de conhecimento da literatura, a dispersão dos resultados faz com que seja sempre necessária uma análise probabilística e, na maioria dos casos, utiliza-se uma distribuição de probabilidade de Weibull, obtendo-se uma curva S-N de probabilidade. Com isso, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma Rede Neural Artificial (RNA) de arquitetura modular e verificar se a mesma é capaz de modelar o comportamento probabilístico à fadiga dos compósitos laminados com apenas três curvas S-N como dados de entrada, desenvolvendo um algoritmo capaz de analisar qualquer valor de probabilidade de falha desejado, aplicando o equacionamento da distribuição de Weibull, utilizando duas metodologias de obtenção de seus parâmetros, aqui considerados constantes para todo material, somente após o treinamento da rede, o qual foi realizado com dados determinísticos. A partir dos resultados obtidos, pode-se concluir que a robustez do algoritmo foi percebida para os dados determinísticos e ocorreu uma boa repetibilidade nas respostas obtidas. Com intuito de avaliar a capacidade de generalização das RNA probabilísticas, criaram-se os diagramas de vida constante (Diagramas de Goodman) para os materiais analisados e os mesmos foram comparados com os valores obtidos pelas curvas S-N de probabilidade, onde foram percebidos resultados satisfatórios.

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