ISEL - Eng. Mecan. - Dissertações de Mestrado
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- Analysis of reinforced cork composite sandwich beamsPublication . Costa, Sérgio Filipe Marques Campos; Leite, Afonso Manuel da Costa de Sousa; Santos, Hugo Alexandre Freixial Argente dosAbstract Considering the continuous increase in the use of lightweight, biological, and renewable materials across all industries, cork—being a material that meets all these requirements while also offering exceptional mechanical characteristics such as high resistance to compression as well as to tension—generates significant interest for testing and studying its behavior in engineering applications. Thus, this study aims to carry out an experimental and numerical investigation of composite sandwich beams using cork agglomerate as the core, compare the results with previous studies and with other materials widely used today, and discuss their feasibility and limitations in potential applications. Several specimens were used, distributed into three types: T1, T2, and T3. The specimens are made of laminated composite, using epoxy resin and glass fiber fabric for the skins, and a cork agglomerate core. The different beam types also present different configurations of skin and core thicknesses and include fiber layers in the core region as well. Three-point bending tests were performed according to ASTM C393 to study their mechanical behavior, calculate their flexural stiffness, shear strength, and other relevant properties such as bending stress in the skins, critical shear stress of the core, and the shear stiffness of the sandwich structure. A numerical study based on finite element analysis of a 2D model developed in Ansys software was conducted to simulate the behavior of the specimens in the linear elastic regime and to verify the experimental results. The numerical results deviate from the experimental ones with respect to the deformed shape; however, there is a reasonable correlation in terms of the force–displacement curve in the linear elastic regime.
- Reliability analysis of industrial physical assetsPublication . Balitki, Maxim; Sobral, José Augusto da SilvaAbstract This master’s dissertation is dedicated to the study and reliability analysis of industrial physical assets, with an emphasis on the beamhouse line of a leather production company. The research aims to analyze and model the life (and its parameters) of critical physical assets using statistical distributions; draw conclusions about the life-cycle phase of the equipment; and improve the system’s reliability indicators through redundancy strategies. Using the repair history of various elements in the beamhouse line, the times to failure (TTF) were extracted via Python code written by the author. This algorithm connects to the SQL database, where the maintenance history is stored, and performs the calculations required for the reliability study. The data considered start in 2021 for the transport clamp machine, conveyor belt and lime splitting machine, and in 2019 for the fleshing machine. A 2-parameter Weibull distribution was applied to the four assets and validated through the chi-square goodness-of-fit test. It was concluded that the four pieces of equipment were in the infant mortality life phase, despite, theoretically, having already surpassed this stage. The reason for this phenomenon may lie in the possibility that the equipment is resisting this transition (from infant mortality to useful life) due to imperfect repairs. Based on fundamental reliability functions, the probability of success at 50, 100, 150, 300 and 500 hours, and the mean time between failures (MTBF) were determined for each asset. Since the assets, which follow a series configuration, showed low reliability values, four redundancy models (parallel system, parallel-series, standby system and standby-series) were presented to improve the results.
- Projeto de simulador de conversor da energia das ondas para plataforma flutuante offshorePublication . Gonçalves, João Pedro da Silva Jorge; Mendes, Mário José Gonçalves Cavaco; Gaspar, José Manuel FerreiraEste trabalho de projeto incide no desenvolvimento de um conversor da energia das ondas destinado a ser instalado num modelo experimental de uma plataforma flutuante híbrida offshore do tipo semi-submersível. Este projeto envolveu a conceção, modelação e análise numérica das peças e subconjuntos constituintes do sistema recorrendo ao software SolidWorks. O sistema incorpora um atuador pneumático, responsável por amortecer o movimento induzido pelas forças hidrodinâmicas no flutuador, em conjunto com um mecanismo de braços ajustáveis que assegura a ligação mecânica entre ambos. Para efeitos de validação e ensaio, foi igualmente concebida uma bancada experimental que integra um atuador elétrico capaz de reproduzir as forças exercidas pelo flutuador. A instrumentação das válvulas pneumáticas que controlam as pressões no atuador é assegurada através da utilização de uma célula de carga e de um sensor de rotação. O atuador elétrico foi igualmente instrumentado com uma célula de carga para medição das forças desenvolvidas. O sistema de controlo foi implementado através da integração de hardware (Speedgoat Real-Time Simulation Machine (RTSM)) e software (Simulink Real-Time), permitindo a realização de ensaios em condições próximas das reais e a preparação para simulações em ambiente Hardware-in-the-Loop (HIL). Após a fase de fabrico e montagem, foram conduzidos ensaios experimentais para verificação funcional do sistema. A partir destes testes preliminares, foi possível obter resultados em malha fechada, que serviram de base para a introdução de melhorias e correções ao projeto.
- Comparação de bombas de calor com diferentes fluidos frigorigéneosPublication . Henriques, Diogo de Oliveira; Casaca, Cláudia Sofia Séneca da LuzAs bombas de calor são equipamentos de climatização que podem ser implementados em grande parte dos edifícios, assegurando funções de climatização e produção de águas quentes sanitárias. O presente trabalho tem como objetivo analisar a influência da escolha do fluido frigorigéneo na eficiência de uma bomba de calor de 7 kW, funcionando sob diferentes condições exteriores e/ou interiores. Os fluidos frigorigéneos estudados foram R-290, R-32 e R-410A, por apresentarem propriedades termodinâmicas favoráveis à sua aplicação em bombas de calor e por serem comuns em sistemas atualmente instalados em várias regiões do mundo. A análise foi desenvolvida considerando três localizações representativas de diferentes condições climáticas: Lisboa, com clima ameno e húmido, BodØ na Noruega, com clima frio e húmido e Tatlar na Turquia, com verões quentes e invernos frios, ambos secos. A metodologia baseou-se no cálculo dos indicadores de eficiência energética dos sistemas: COP para o modo de aquecimento e produção de AQS, e EER para o modo de arrefecimento, ao longo do ano. Para esse efeito, foi desenvolvida uma folha de cálculo específica, considerando pressupostos termodinâmicos e parâmetros. Os resultados obtidos evidenciam que, no modo de produção de AQS, o sistema a R-290 apresentou uma eficiência média 2,7% superior ao R-32 e 9,5% superior ao R-410A, nas três regiões estudadas. No modo de aquecimento para climatização, o R-290 foi, em média, 0,9% mais eficiente que o R-32 e 5% mais eficiente que o R-410A. Para o modo de arrefecimento, o R-290 superou a eficiência média do R-32 em 0,4% com este último a apresentar uma eficiência média 0,2% mais elevada na cidade de BodØ. Contudo, tendo como base o R-410A, o R-290 apresentou valores de EER médios, 11,7% superiores em Lisboa e Tatlar, não sendo possível o sistema a R-410A operar em BodØ, devido a limitações nas temperaturas de funcionamento.
- Análise técnico-económica de soluções energéticas alternativas ao aquecimento por vapor na indústria alimentarPublication . Inverno, Inês Filipa Fernandes; Casaca, Cláudia Sofia Séneca da Luz; Teixeira, Ana Cristina PereiraA crescente preocupação com o impacto das emissões de gases com efeito estufa na intensificação do aquecimento global tem conduzido à procura de medidas que promovam a transição energética e a neutralidade carbónica. A definição de metas internacionais e nacionais para a redução das emissões obriga à reavaliação de processos industriais dependentes de combustíveis fósseis, nomeadamente os associados ao aquecimento a alta temperatura. No âmbito do estágio de natureza profissional, em colaboração com a ACET – Antero Cardoso Engenharia Termodinâmica, Lda., procedeu-se à análise técnico-económica de soluções energéticas alternativas ao aquecimento por vapor num complexo industrial de produção de margarina. O processo em estudo apresenta elevada exigência térmica, atualmente suprida por vapor gerado numa caldeira a gás natural. Foram estudadas três soluções: (i) bomba de calor amoníaco-água (R717-H2O), (ii) configuração em cascata com bomba de calor ar-água e bomba de calor água-água (ar-H2O-H2O) e (iii) caldeira elétrica de resistência. A comparação considerou consumo energético, viabilidade tecnológica e impacto económico. A bomba de calor amoníaco-água é a alternativa mais viável. Relativamente à bomba de calor ar-H2O-H2O e à caldeira elétrica de resistência, apresenta coeficiente de desempenho 2,1 e 4 vezes superior e custo total (incluindo o investimento inicial) 2,4 e 4,3 vezes inferior, traduzindo-se em poupanças estimadas de 4 931 712 € e 11 425 247 €, respetivamente. Além das vantagens energéticas e económicas, esta solução reduz o desperdício térmico e o consumo elétrico do sistema de refrigeração existente, permitindo integração térmica entre aquecimento e arrefecimento. Esta abordagem contribui para a sustentabilidade energética e para a redução da pegada carbónica da instalação industrial.
- Análise das condições de deposição na produção de componentes híbridos por impressão 3DPublication . Paiva, Marcelo Kendrick de; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia de; Almeida, Pedro Lúcio Maia Marques de; Leitão, Carlos Miguel AlmeidaO desenvolvimento de juntas híbridas entre metais e polímeros tem ganhado destaque em aplicações estruturais leves, especialmente nas indústrias automotiva e aeroespacial. Esse tema é de grande importância, pois, com o surgimento de novas técnicas de ligação entre materiais, como soldadura por fricção e união mecânica, a união híbrida de materiais distintos possibilita a criação de novos materiais que combinam as características e qualidades de cada um, resultando em componentes cada vez mais leves, resistentes e confiáveis. O objetivo deste trabalho destinou-se a analisar as condições de deposição na produção de componentes híbridos (metal-polímero) por modelação por deposição fundida (FDM). Em particular, foi estudada a ligação de chapa de alumínio (Al) a Ácido Polilático (PLA) impresso. Por forma a estudar as condições de adesão na interface metal-polímero, foram testadas diferentes condições topográficas dos componentes de Al. Sobre estas superfícies foram depositadas, por prensagem a quente, películas poliméricas, que funcionarão como camadas intermédias facilitadoras da deposição de material polimérico por FDM, para se avaliar e comparar a resistência da adesão entre os materiais sob essas diferentes preparações superficiais. Foram produzidas amostras em três condições distintas, sem preparação, com lixamento, e com texturização superficial. A caracterização morfológica foi realizada por microscopia óptica e microscopia digital, se analisando as condições de deposição do material polimérico na topografia da placa de Al. Os resultados mostraram que a texturização superficial melhorou as condições de adesão da junta, em comparação com as demais condições de preparação do substrato do Al, sugerindo uma melhor ancoragem mecânica da junta. A preparação da superfície do Al demostrou ser um fator crucial para a eficiência da junta híbrida Al/PLA, revelando a importância de se realizar um controlo topográfico neste tipo de aplicação para o fabrico aditivo pelo método de FDM.
- Analysis on the effectiveness of the weldability window in predicting results for explosive weldingPublication . Peladinho, Duarte Miguel Gonçalves; Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia de; Carvalho, Gustavo Henrique Senna de Freitas Ligeiro de; Leal, Rui Manuel FerreiraAbstract Explosive welding (EXW) is a solid-state joining process that relies on controlled detonation to achieve metallurgical bonding between similar or dissimilar materials. Its advantages include the ability to combine metals with large differences in melting point and thermal conductivity, the near absence of a heat-affected zone, and the potential for producing large-scale joints. Nevertheless, the main limitation of EXW remains the lack of a reliable theoretical framework capable of predicting weld quality. To address this limitation, the weldability window was introduced as a graphical tool relating collision velocity and collision angle to the likelihood of a successful weld. Although widely used, this model often fails to reproduce experimental results, mainly due to the diversity of proposed equations, the boundary conditions considered during their development, and the incomplete understanding of interfacial mechanisms such as wave formation and jetting. The objective of this work is to analyse the effectiveness of the weldability window in predicting the outcomes of explosive welding by reviewing and comparing the most relevant theoretical formulations with experimental results available in the literature. The examination of these approaches highlights the assumptions behind each model and reveals important divergences regarding their applicability to different materials and welding conditions. The analysis shows that current formulations contain inconsistencies that restrict their predictive capability, resulting in discrepancies between theoretical boundaries and actual weld behaviour. These limitations emphasize the need for further refinement of the weldability window in order to provide a more accurate and reliable framework for assessing the occurrence of successful welds in explosive welding processes.
- Estudo da influência do Shot Peening no comportamento à fratura de ligas levesPublication . Neves, Daniela da Silva Ribeiro; Morgado, Teresa Leonor Ribeiro Cardoso MartinsNa indústria aeronáutica, reduzir o peso das aeronaves e prolongar a vida útil dos componentes é essencial para a eficiência e a segurança. O estudo de ligas leves, como alumínio e titânio), a aplicação de técnicas como o Shot Peening e o fabrico de componentes por Selective Laser Melting (SLM) constitui uma abordagem integrada para se alcançarem os objetivos atuais desta indústria e promover a sustentabilidade, tornando estas vertentes de investigação particularmente relevantes para o setor. Na presente tese, estudou-se o efeito do Shot Peening, aplicado com equipamento automático, em ligas leves de interesse industrial, a liga Al 7475-T7351 e a Ti-6Al-4V (obtida por SLM), com o propósito de compreender as alterações microestruturais, de dureza e de rugosidade induzidas. No caso da liga Ti-6Al-4V, realizou-se um estudo dos defeitos intrínsecos ao SLM, bem como das suas fraturas. Para tal, foram realizados ensaios com recurso a microscopia ótica, microscopia eletrónica de varrimento, nanotomografia de raios-X, medições de rugosidade e microdurezas, bem como ensaios de tração. Da análise de resultados das microdurezas, concluiu-se um aumento desta propriedade na zona mais superificial, diminuindo gradualmente em profundidade, em ambas as ligas. No caso da liga de Ti-6Al-4V, os valores de microdurezas foram superiores ao esperado, devido à formação de martensite α’ em grandes quantidades. A rugosidade aumentou em ambas as ligas, sendo mais acentuada no alumínio, refletindo que tem menor resistência ao impacto das granalhas e à deformação plástica localizada. Em conclusão, verificaram-se os efeitos esperados da aplicação do Shot Peening. Pela análise de defeitos, concluiu-se que existe necessidade de alteração dos parâmetros de produção de SLM, para os provetes de Ti-6Al-4V, nomeadamente da densidade de energia que deve ser aumentada. A qualidade dos pós usados deve também ser uma prioridade. As superfícies de fratura revelaram um material dúctil. A presença de oxigénio nas mesmas indicou falhas na atmosfera inerte. Por último, foi desenvolvido um modelo de previsão de vida à fadiga baseado nos resultados obtidos.
- Desenvolvimento de metodologias de gestão inovadoras em contexto de manutenção 4.0Publication . Rafael, João Vítor Menezes; Morgado, Teresa Leonor Ribeiro Cardoso MartinsA indústria 4.0 está a transformar os processos de manutenção industrial, tendo o fabrico aditivo (FA) como uma das suas principais técnicas. Com este intuito, este trabalho avaliou a aplicação do fabrico aditivo na produção de peças de substituição numa indústria de base florestal, especificamente para utilização na manutenção. As cadeias de abastecimento destas peças de substituição apresentam problemas com fornecedores, tais como, tempo de espera e custos elevados. A presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de tecnologias de gestão inovadoras em contexto de manutenção 4.0. A metodologia experimental consistiu no desenvolvimento de uma estratégia inovadora para aplicação da manutenção preventiva sistemática baseado no fabrico aditivo de peças sobresselentes. Através do desenvolvimento de um fluxograma representativo do processo de tomada de decisão para a criação de peças fabricadas via FA, foram selecionados dois casos de estudo designados por "Rolete", "Finger Plate”. Os estudos consistiram na análise económica das peças selecionadas, seguido da análise de resistência dos materiais e da seleção de materiais alternativos, tendo em conta os processos de fabrico convencionais (laminagem a quente e injeção) e os aditivos (FDM - Fused Deposition Modeling e DLP - Digital Light Processing). Por fim foi realizado o estudo de previsão de durabilidade ao serviço. Da análise económica concluiu-se que o Rolete produzido por DLP apresentou uma redução de 55% nos custos, face ao fabrico convencional. No caso do “Finger Plate”, a peça produzida por FDM mostrou-se igualmente vantajosa, com uma redução de custos de 88,27%. Como trabalhos futuros é necessário validar a durabilidade prevista através da estratégia proposta e do tempo de serviço das novas peças dos casos "Rolete" e "Finger Plate"; para o caso de "Rotor" é necessário concluir o estudo já iniciado e validar resultados além de estipular e controlar parâmetros de qualidade para as peças fabricas por FA.
- Previsão de crescimento de fendas de fadiga utilizando elementos finitos e inteligência artificialPublication . Ferra, Tiago Henrique da Cruz; Baptista, Ricardo Miguel Gomes SimõesA análise da trajetória de propagação de fendas de fadiga constitui um desafio relevante na área da integridade estrutural, devido à complexidade associada à simulação numérica ou à experimentação. Em particular, o estudo de componentes sujeitos a carregamentos biaxiais revela-se ainda mais exigente, uma vez que envolve a aplicação simultânea e independente de forças em direções perpendiculares, aumentando significativamente a variabilidade dos cenários possíveis. Neste trabalho, foi estudada a propagação de fissuras em provetes cruciformes sob carregamentos cíclicos biaxiais em fadiga, combinando metodologias numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos (FEM) com a aplicação de técnicas de Inteligência Artificial (AI), nomeadamente redes neuronais artificiais (ANN). Para a geração dos dados de treino da rede, recorreu-se a simulações numéricas que permitiram determinar os fatores de intensidade de tensão para fendas com diferentes geometrias, comprimentos e orientações. Uma vez treinada, a rede mostrou-se capaz de prever, de forma quase imediata, os fatores de intensidade de tensão necessários ao cálculo da direção e da taxa de crescimento da fenda. Os resultados obtidos pela ANN foram comparados com as trajetórias de propagação calculadas exclusivamente por FEM. A análise dos desvios entre coordenadas, calculados através da raiz quadrada do erro médio quadrático (RMSE), revelaram um erro mínimo de 0,0006 mm e um erro máximo de 2,1890 mm, sendo o erro médio de 0,3613 mm. Assim, a abordagem híbrida FEM–IA revelou-se vantajosa pela sua elevada eficiência computacional, mantendo um nível de precisão adequado à previsão do comportamento em fadiga. Assim, os modelos baseados em redes neuronais demonstraram ser uma ferramenta promissora de apoio à análise estrutural, contribuindo para reduzir significativamente o tempo e os recursos necessários em estudos de propagação de fendas em regimes de carregamento complexo.