ISEL - Eng. Mecan. - Dissertações de Mestrado
Permanent URI for this collection
Browse
Recent Submissions
- A critical review on damage accumulation in multiaxial fatigue modelsPublication . Roque, Rui Manuel Resendes; Anes, Vítor Manuel RodriguesFracture and fatigue are common causes of failure in mechanical components of structures, needing a comprehensive understanding of the underlying physical mechanisms by mechanical design engineers. An area that requires further investigation is the impact of loading type on the fatigue strength of materials. Proportional and nonproportional loads lead to different fatigue lives, even when subjected to the same loading amplitudes. Even within proportional loads, the fatigue life can vary depending on the ratio between shear and normal stresses. Numerous models have been proposed in the literature to address these concerns, but a universally applicable model for estimating fatigue strength considering loading effects is yet to be developed. This dissertation presents a thorough literature review focusing on multiaxial fatigue, covering topics such as the phenomenological characterization of fatigue, critical plane models, cycle counting methods, fatigue damage monitoring and bibliographic data. During the review, a modified equivalent strain amplitude (MESA) model, raised pertinent questions that are addressed in subsequent chapters. A case study was conducted that utilizes multiaxial fatigue data of the high strength steel 42CrMo4, which was obtained from literature sources. The analysis was made to include plane orientations ranging from -90° to 90° while evaluating ten multiaxial loading paths. The research hypothesis aimed to evaluate the effectiveness of a proposed critical plane model in determining the crack initiation plane and estimating the fatigue life of variable amplitude loading paths, without relying on cycle counting methods. In order to simplify the demonstration of this method, alternative critical plane models were employed to assess their efficiency in determining these parameters. The obtained results revealed that the MESA critical plane model is indeed effective in successfully estimating fatigue life under multiaxial fatigue loading paths while others cannot without the use of additional cycle counting methods. Nevertheless, the MESA critical plane model exhibited unsatisfactory results when assessing the crack initiation plane in comparison to other critical plane models like SWT, Fatemi-Socie, Brown-Miller, and Liu. The estimations of these models for the crack initiation plane showed relatively strong consistency, except for the MESA model. Furthermore, a bibliographic analysis was included with the purpose of better illustrating the current state of the engineering field that researches multiaxial fatigue and damage accumulation approaches. A study on scientific papers published since the 2000’s until now is conducted by outlining the output and growth trend of said publications in the selected research areas, the most influential countries and journals and by establishing the connection between internationalization and multiaxial fatigue and damage accumulation. Findings regarding this analysis indicate a significant growth in the research field, with a substantial increase in the number of published documents each year. The People's Republic of China emerges as the leading contributor with 1434 publications across all the mentioned subjects, closely followed by the USA and Germany. Furthermore, it is noteworthy that nearly half of the countries worldwide are actively involved in researching these subjects, demonstrating a diverse range of nationalities contributing to the field. Interestingly, Portugal ranks among the top 15 countries in all selected keyword categories, highlighting its involvement and contribution in the research.
- Desenvolvimento de uma ferramenta informática para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos para carregamento de veículos elétricos e sua implementação num caso de estudoPublication . Teixeira, Rui Alexandre Fernandes; Monteiro, Joaquim José RodriguesA evolução da tecnologia fotovoltaica têm-se revelado um pilar na construção e desenvolvimento de uma sociedade ambientalmente mais sustentável. As recentes inovações tecnológicas na produção de células fotovoltaicas são uma realidade e permitirão num futuro próximo a geração de energia de uma forma mais limpa e próxima dos locais de consumo, levando a um aumento substancial da eficiência energética. Assim, nesta dissertação pretendeu-se fazer uma análise e consequente otimização de soluções tecnológicas utilizadas na geração fotovoltaica, desenvolvendo metodologias de cálculo para a avaliação do potencial de produção de energia fotovoltaica integrada em parques de estacionamento ou coberturas de edifícios industriais ou comercias, para carregamento de veículos elétricos. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma ferramenta informática que permita ao utilizador dimensionar sistemas fotovoltaicos a aplicar em parques de estacionamento, para a geração de energia fotovoltaica utilizada no carregamento de estacionamento, para a geração de energia fotovoltaica utilizada no carregamento de veículos elétricos e estimar o seu potencial energético encontrando a melhor alternativa de investimento com base nos equipamentos existentes no mercado. Com esta aplicação informática será possível integrar vários tipos de equipamentos em simultâneo (painéis fotovoltaicos, inversores e carregadores elétricos), assim como a respetiva estrutura metálica de suporte, obtendo os resultados necessários à instalação do projeto fotovoltaico, incluindo todas as premissas necessárias para a sua implementação (angulo ótimo dos painéis solares, área de implementação, irradiação, potência pico, e potência útil), bem como os respetivos resultados de poupança e retorno de investimento. Os resultados obtidos nos casos de estudo apresentados nesta dissertação, permitem verificar que esta ferramenta informática é uma solução interessante para dimensionar a melhor opção tecnológica e economicamente mais vantajosa, no dimensionamento de sistemas de geração de energia fotovoltaica.
- Recuperação das Comportas de Uma Grande BarragemPublication . Pereira, Luís Maria Vaz Pato Trigo; Rodrigues, Maria Alexandra SousaNo âmbito de um projeto de reabilitação dos descarregadores de cheias de uma barragem em arco de dupla curvatura, a Empresa desenvolveu e implementou um sistema de controlo para a avaliação da segurança da operação de comportas. Este sistema permitiu quantificar os esforços que se desenvolvem sobre as comportas, durante o seu movimento, esforços estes devidos às deformações no paredão da barragem e interferência com a própria comporta. Os elevados esforços registados com o sistema põem em risco o próprio funcionamento futuro das comportas. Situação não aceitável devido ao carácter crítico do funcionamento destes órgãos de segurança. Consciente da situação, o dono da barragem decidiu pedir à Empresa para conceber e implementar um processo de recuperação da comporta/peças fixas. O presente relatório refere-se ao acompanhamento da atividade de recuperação com foco particular nos aspetos relacionados com o comportamento da comporta durante o processo de recuperação.
- Modelos de previsão de vida à fadiga da liga Ti6Al4V obtida por manufatura aditivaPublication . Alves, João Filipe Gonçalves; Morgado, Teresa Leonor Ribeiro Cardoso Martins; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia de; Pereira, António Mário HenriquesA liga de Ti-6Al-4V, tem sido alvo de um grande interesse, por parte das indústrias, aeronáutica, biomédica, marítima e automóvel, por se tratar de uma liga que apresenta: uma boa relação entre resistência e peso, boa resistência à corrosão e um excelente comportamento à fadiga e à fluência. Por outro lado, novos processos de fabrico começam a ganhar relevância, como a manufatura aditiva, que promete revolucionar completamente a produção de componentes mecânicos, uma vez que é um processo mais eficiente, simples e altamente preciso, contudo bastante complexo sendo necessário um aprofundamento do conhecimento em relação ao seu modo de funcionamento, e os efeitos que tem nos materiais assim produzidos. Deste modo, esta dissertação tem como objetivo, estudar a influência que o processo de fabrico Selective Laser Melting (SLM) tem no comportamento mecânico de uma liga de Ti-6Al-4V, e propor um modelo de previsão à fadiga, baseado na microdureza e na área de defeitos intrínsecos ao processo. Com este propósito foram realizados ensaios de tração uniaxial que permitiram a determinação das propriedades mecânicas do material, através das curvas de tensão-extensão. Foram também realizados ensaios à fadiga por forma a determinar a curva S-N e consequentemente a sua tensão limite de fadiga. E foram por fim realizados ensaios de microdureza de Vickers. Após os ensaios de tração, de fadiga e de microdureza, estudaram-se as superfícies de fratura através da macro e micro fratografia. E recorreu-se à micro e nano tomografia de forma a fazer uma análise tridimensional dos defeitos intrínsecos ao SLM. Por fim foram desenvolvidos dois modelos de previsão à fadiga, baseados em dois métodos distintos de contagem de defeitos, e foram posteriormente comparados aos já existentes. Chegou-se à conclusão de que a liga de Ti-6Al-4V produzida por manufatura aditiva possui um comportamento mecânico superior, ao mesmo material, produzido por outro processo de fabrico, apresentando um comportamento bastante dúctil. Por outro lado, pela avaliação qualitativa, da rugosidade superficial associado a este processo, é bastante elevada, sendo este um dos principais motivos pela baixa resistência à fadiga, dos provetes. Uma vez que a análise de defeitos revelou uma quantidade baixa de porosidades. No que trata os modelos de previsão desenvolvidos, os mesmos revelaram uma boa proximidade, com o valor da tensão limite de fadiga, obtida experimentalmente, independentemente do modo de contagem. Os modelos revistos na literatura, demonstraram-se inadequados na previsão da tensão limite de fadiga de uma liga de Ti-6Al-4V produzida por manufatura aditiva, no estado de como fabricado.
- Análise Estrutural de Chassis e Suspensão de Veículo AutomóvelPublication . Almeida, João Lucas Solapa; Milho, João Filipe de Almeida; Portal, Ricardo José FontesNas últimas décadas tem-se verificado um aumento do desenvolvimento de protótipos virtuais em substituição dos protótipos físicos, de forma a verificar a viabilidade de um componente ou sistema. Uma análise estrutural, realizada num âmbito digital, pode apresentar duas vertentes: estática e dinâmica. A primeira é indispensável para assegurar que um elemento é capaz de suportar as cargas de funcionamento, nas condições pretendidas, mantendo a integridade estrutural do sistema. Neste tipo de análise, com recurso à simulação, é aplicado o método dos elementos finitos. Já a segunda, permite verificar se os componentes, que formam um sistema, se movem consoante a sua finalidade, de forma a alcançar o desempenho desejado. No ponto de vista da análise de movimento, estes conjuntos de componentes são denominados por sistemas de corpos múltiplos. O presente trabalho tem como principal objetivo realizar uma análise estrutural, de um chassis e suspensão de um veículo automóvel, mais especificamente, de um Lancia Stratos HF. Este estudo é então realizado no âmbito estático, com recurso aos softwares Ansys Workbench e SolidWorks Simulation, e no âmbito dinâmico, onde se utilizou o SolidWorks Motion. Primeiramente, criou-se um modelo CAD do chassis no SolidWorks, que através de um estudo de frequências, foi possível fazer a sua verificação a partir de um modelo já existente no Ansys Workbench, comparando os resultados obtidos nos dois softwares. Com isto, foi possível utilizar o modelo CAD do SolidWorks para diversas análises, no domínio estático, da avaliação estrutural do chassis. No estudo da dinâmica, utilizou-se este mesmo modelo 3D do chassis, bem como os modelos CAD das suspensões que foram posteriormente desenvolvidos, dando origem a um sistema representativo do veículo. Nesta análise submete-se este veículo a diversas condições de velocidade e movimento, a partir das quais é possível avaliar o comportamento dinâmico do veículo e estrutural dos componentes da suspensão.
- Estudo e Modelação do Braço de Trolley de um Carro Elétrico Histórico da CarrisPublication . Coelho, Carlos Miguel Vinagre Rosa; Carvalho, André Rui Dantas; Gonçalves, Gonçalo Nuno Antunes; Milho, João Filipe de AlmeidaO presente trabalho tem como objetivo a execução de um estudo sobre o Braço de Trolley dos carros elétricos da empresa Companhia Carris de Ferro de Lisboa, habitualmente referida apenas como Carris. Este elemento faz a ligação mecânica e elétrica entre a catenária e o carro, permitindo a circulação da corrente elétrica. Devido à idade do sistema, as peças do Braço de Trolley já não são fabricadas, e têm de ser reparadas pela própria empresa. Assim, o presente trabalho consiste em efetuar o levantamento da constituição do Braço de Trolley, identificando cada uma das suas peças constituintes, efetuar medições das mesmas, devido praticamente à inexistência de quaisquer registos escritos, desenhos técnicos ou especificações das peças que o compõem, para elaboração de um modelo geométrico computacional, com vista à realização do estudo principal que visa aplicar as ferramentas atuais de modelação e projeto mecânico (inexistentes na altura do projeto original) para fazer um estudo dos esforços mecânicos, e eventualmente propor alterações a nível de processos de reparação, materiais e da própria conceção, por forma a aumentar a durabilidade e reduzir o número de intervenções de manutenção. Deste modo, foi realizado um estudo estático utilizando o software Solidworks, com vista a identificar os esforços sofridos pelos principais componentes que sofrem desgaste mecânico.
- Technical analysis of an electrolyzer coupled with high concentration photovoltaic solar systemPublication . Pina, Ivo Gonçalo da Silva; Marques, Nelson Pereira Caetano; Castanheira, Luís Filipe RodriguesEste trabalho final de mestrado surge de a necessidade compreender e estudar um eletrolisador acoplado a um sistema solar fotovoltaico de alta concentração, desenhado e produzido por uma empresa portuguesa especializada em produção de hidrogénio verde. Através deste eletrolisador inovador é possível realizar o processo eletroquímico de eletrólise, no qual a molécula de água é decomposta em hidrogénio na câmara catódica e oxigénio na câmara anódica. Para realizar o objetivo proposto foram aplicadas diferentes técnicas de instrumentações in-situ do eletrolisador e simulação CFD do componente responsável pela distribuição homogénea da água do eletrolisador. O trabalho está essencialmente dividido em cinco capítulos. O primeiro capítulo introduz a tecnologia inerente para estabelecer uma compreensão geral de como o eletrolisador funciona e da relação com todos os sistemas adjacentes. O segundo capítulo abrange toda a documentação relacionada à instrumentação eletroquímica in-situ realizada, descrevendo as metodologias e precauções tomadas, bem como é apresentado e discutido os resultados obtidos. O terceiro capítulo apresenta as metodologias, resultados e discussões relacionadas com a instrumentação in-situ do eletrolisador criada utilizando técnicas de inserção de termopares dentro da câmara anódica do eletrolisador de forma a ser possível caracterizar os perfis de temperatura em cada uma das células eletroquímica. No quarto capítulo, são descritas as metodologias definidas e criadas para a simulação CFD flow field anódico do eletrolisador, juntamente com a apresentação e discussão dos resultados. No quinto e último capítulo, é apresentada uma conclusão abrangente sobre a importância deste trabalho em aprimorar a compreensão deste eletrolisador inovador. Os objetivos do trabalho foram alcançados com sucesso, pois foi possível compreender melhor, e mais profundamente, o funcionamento do eletrolisador e, consequentemente, identificaram-se diversas áreas de melhoraria para um aumento do seu desempenho.
- Estudo de um sistema fotovoltaico integrado numa autocaravanaPublication . Vasconcelos, Rodrigo Manuel Farinha; Domingues, Nuno Alexandre Soares; Mendes, Mário José Gonçalves CavacoAs recentes melhorias tecnológicas e a redução de custos nos sistemas de aproveitamento solar fotovoltaico, tornaram estes sistemas vantajosos e alvo de interesse. Diversos estudos têm sido feitos a diversas escalas e para diferentes localizações, mas são essencialmente em locais fixos. Esta dissertação estudou a viabilidade de equipar uma autocaravana com um sistema fotovoltaico de geração de energia isolado da rede, de maneira a haver uma produção independente da rede de energia elétrica. Durante a realização do estudo foi tida em conta a mudança de coordenadas do sistema, que ao contrário dos habituais sistemas fotovoltaicos, é móvel, e, portanto, a radiação para além de depender da época do ano também dependerá da localização do sistema. Para comprovar o benefício desta aplicação numa autocaravana, foram definidas duas rotas sujeitas a alterações de condições (radiação e temperatura). Uma rota sendo menos produtiva de sul ao norte da Europa, e outra que permanece a sul da Europa. Ao mesmo tempo foi estabelecido um consumo diário, que com o auxílio dos gráficos apresentados neste trabalho, que mostram a energia armazenada nas baterias, foi possível observar a variação de energia armazenada ao longo do percurso. Na rota que varia do sul a norte da Europa haverá outro estudo, que avaliará se existe vantagens em haver produção durante o percurso entre cidades. Com os resultados obtidos, pode concluir-se que esta implementação é uma opção viável, uma vez que a produção de energia elétrica conseguida com os painéis fotovoltaicos foi suficiente para colmatar os consumos considerados como referência. Na análise económica foi feito um estudo partindo do princípio de que quando a caravana não está em utilização o sistema fotovoltaico continua em utilização em um local fixo, de onde se verifica que o retorno do investimento inicial não ocorrerá.
- Implementação do Lean Management na manutenção da aeronave Airbus D&S C-295MPublication . Rosa, Luís Miguel Frade da; Abreu, António João Pina da Costa FelicianoNos dias que decorrem, cada vez mais, existe uma maior concorrência, o que torna essencial a oferta de produtos com os melhores padrões de qualidade, no menor tempo possível e com o menor custo de produção possível. Assim sendo é cada vez mais necessário conseguir-se inovar, aperfeiçoar e reduzir os desperdícios dos processos de produção e manutenção, sem que isso afete a qualidade e segurança dos produtos. Uma das teorias de gestão mais eficazes usadas neste campo é o Lean Management, esta filosofia surgiu no século passado no seio da indústria automóvel no Japão, e com a sua implementação notou-se não ser apenas benéfica à indústria automóvel, mas também de uma forma genérica a muitas outras indústrias, tais como a indústria aeronáutica. Com a utilização desta filosofia verificaram-se impactos bastante positivos nessas indústrias. O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo de suporte para criação de valor no planeamento e execução das inspeções programadas na frota de aeronaves Airbus D&S C-295M da Força Aérea Portuguesa, com vista a redução do tempo de imobilização em inspeções programadas e consequentemente o aumento da disponibilidade operacional das aeronaves. A implementação deste modelo passa essencialmente por três etapas, Avaliar, Executar e Concluir, recorrendo cada um delas a técnicas e conceitos Lean, que permitem identificar os problemas que dificultam a existência de uma execução fluída das inspeções programadas do C-295M, e assim analisar, identificar e modificar o necessário para que tal não torne a acontecer, contribuindo assim para a melhoria da execução dos processos de manutenção. Em suma, a implementação deste modelo contribui para que o tempo de imobilização das aeronaves em inspeção programada diminuísse de 58,33% para 37,06%, o que levou a um aumento da taxa de prontidão média anual de 5,5 aeronaves, para uma média anual de 7,55 aeronaves disponíveis, num universo de 12 aeronaves que a frota C-295M comtempla.
- Interação de sistemas de carregamento de veículos elétricos em estações da rede ferroviária com regeneração de energiaPublication . Ricardo, João Luis Sales; Henriques, Nuno Paulo Ferreira; Duarte, Gonçalo Nuno de OliveiraA ferrovia representa 15% do consumo de energia do sector dos transportes. Apesar da implementação de tecnologias de regeneração de energia durante a travagem, apenas uma pequena porção é utilizada, sendo a maior parte dissipada na forma de calor. A crescente utilização de veículos elétricos e a desejada mobilidade integrada, torna as estações ferroviárias numa interface de pessoas, mercadorias, mas também energético, criando a oportunidade de utilizar a energia regenerada pela ferrovia na alimentação de veículos elétricos nos parques de estacionamento adjacentes às estações. O presente trabalho tem como objetivo estudar numericamente os impactes energéticos da implementação de redes inteligentes em estações ferroviárias, que gerem a interação entre a frenagem regenerativa proveniente da ferrovia, a rede elétrica da estação e do estacionamento adjacente, integrando também um conjunto de baterias e painéis fotovoltaicos. Para isso desenvolveu-se uma ferramenta de simulação e análise de sistemas dinâmicos em Matlab Simulink, para modelar cada sistema individualmente, e posteriormente simular a sua interação tendo assim um programa modelar capaz de realizar vários casos de estudo, tendo em conta aspetos como os horários de chegada/partida de comboios, dimensão do parque de estacionamento e da estação. Utilizando a Gare do Oriente e a estação de Corroios comos casos de estudo, resultados indicam que a tração dos comboios representa a maior porção da energia consumida (cerca de 88%) o que traduz em 90MWh a 180MWh semanais dependendo da dimensão da estação sendo o restante consumo realizada pela carga de VE, e que possível obter através da frenagem regenerativa cerca de 20 MWh a 60 MWh semanais sendo possível reaproveitar 11% dessa energia utilizando SAEs.