ISEL - Eng. Mecan. - Dissertações de Mestrado
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- Study and characterization of specimens obtained through additive manufacturing technologies with thermoplastic matrix and carbon fibrePublication . Silva, Miguel Filipe Lola da; Leite, Afonso Manuel da Costa Sousa; Portal, Ricardo José Fontes; Novo, Paulo Jorge da Costa ParenteAbstract The use of thermoplastic matrix in continuous fibres composites is relatively recent with the number of potential applications steadily growing. However, the use of thermoplastics as a matrix comes with several challenges since thermoplastic polymers present much higher viscosity than thermosets, resulting in much more difficult and complex reinforcement impregnation and consequent consolidation tasks. This research focuses on the study and characterization of specimens produced through two additive manufacturing (AM) technologies: Fused Filament Fabrication (FFF) and Automated Fibre Placement (AFP). Both techniques employ a polyamide thermoplastic matrix reinforced with continuous carbon fibre, and mechanical behaviour will be evaluated by analysing their tensile, flexural and interlaminar shear strength properties. To characterize the materials and specimens, several techniques were used, such as SEM, DSC, TGA, FTIR calcination or Micro-CT. For the production of FFF specimens a commercially available 3D printer capable of printing continuous fibre filaments was used, and to produce the AFP specimens, a functional prototype was first developed and then the tapes produced. With all the necessary conditions reached, the specimens were produced. To analyse the AFP specimens a Design of Experiments was implemented, with the influence of the most pertinent process variables also being analysed. Finally, the specimens produced by the different additive manufacturing techniques were evaluated and compared in terms of their mechanical properties and pose.
- Study of simple and complex structures in composite materialsPublication . Gamito, Simão Pedro Brissos Sousa Jesus; Leite, Afonso Manuel da Costa de Sousa; Loja, Maria Amélia RamosAbstract The use of composite materials has been increasing exponentially in various engineering fields, not only in fiber-based materials but also in advanced particle composites, such as Functionally Graded Materials (FGM). This work focuses on fiber-based materials, which, by considering the appropriate fiber direction within each layer, can achieve different mechanical properties, leading to widespread use. However, due to the heterogeneous and orthotropic nature of these materials, failure prediction becomes challenging. Combining analytical methods (often using symbolic computing platforms) and/or numerical methods allows for failure prediction. Despite using a single or combined method approach, verifying the results with alternative references is crucial. This study aimed to develop and implement a numerical-analytical and experimental approach to characterize the mechanical behavior of fiber-based composite plates with an epoxy matrix. The study considered carbon fiber/epoxy plates with varying numbers of layers and fiber orientations. Four approaches were employed: the first and second approaches, based on the Finite Element Method (FEM) using ANSYS Mechanical Parametric Design Language (Mechanical APDL) and ANSYS WORKBENCH, respectively; the third approach involved analytical results obtained through the MAPLESOFT symbolic computing software; the fourth approach relied on experimental tensile tests of the composite plates, using strain gauges to measure resulting strains from a bi-axial tensile device. Additionally, a three-dimensional static study of a triathlon guide was calculated using Solidworks Simulation FEM software. The results indicate that while some numerical methods can predict failure in composite materials with reasonable accuracy, this prediction is fundamentally linked to the failure criterion used in the analysis.
- Análise de risco em sistemas de transporte de hidrogénioPublication . Salvado, Gonçalo Rodrigues; Sobral, José Augusto da SilvaA presente dissertação foi desenvolvida no âmbito de conclusão do curso de Mestrado de Engenharia Mecânica – Perfil de Manutenção e Produção. Sob uma orientação bem definida, a principal motivação deste trabalho consistiu na elaboração de uma Análise de Riscos em Sistemas de Transporte de Hidrogénio, com especial foco no transporte de hidrogénio através de pipelines. Numa primeira fase foram abordados métodos de produção, tipos de armazenamento e transporte de hidrogénio, dando especial importância aos pipelines, como estes são projetados, quais os componentes constituintes, etapas de construção, fase de operação e manutenção e aspetos relacionados com a segurança. Seguidamente foi apresentado um estudo exemplificativo que visa avaliar a quantidade ótima de hidrogénio injetável numa rede existente de pipelines de hidrogénio, terminando com a apresentação dos maiores riscos e desafios no transporte de hidrogénio em pipelines existentes. Posteriormente, foi abordado o tema do risco de uma forma genérica, seguindo as normas ISO 31000 e ISO 31010, com o objetivo de identificar as técnicas e ferramentas existentes para a sua aplicação de modo a mitigar os riscos inerentes a um sistema e/ou processos. Por fim foi elaborada uma FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) aplicada a pipelines de hidrogénio, com o principal objetivo de identificar modos de falha, causas e consequências.
- Estudo de incorporação de H2 no gás natural e seu impacto em equipamento motrizPublication . Valente, Ruben Miguel Canelas; Costa, Jorge Filipe Oliveira de Mendonça e; Domingues, Nuno Alexandre SoaresA utilização de hidrogénio tem desempenhado um papel fulcral na transição energética que visa alcançar um futuro mais sustentável. Neste sentido, foi concebido um estudo experimental que permite aferir o impacte técnico, ambiental e económico da incorporação deste combustível no gás natural. Os ensaios experimentais foram conduzidos numa unidade demonstrativa GUNT ET 792, caracterizada por operar segundo um ciclo a gás com configuração twin-shaft. O equipamento, originalmente apto para a queima de propano, foi adaptado para admitir gás natural e misturas de gás natural com hidrogénio em frações volúmicas de 5%, 10% e 20%. Os testes efetuados permitiram, em primeiro lugar, garantir a viabilidade da utilização destas misturas na ótica da segurança. Por outro lado, do ponto de vista qualitativo, foi possível avaliar as principais diferenças da utilização destes gases combustíveis a nível das temperaturas e pressões que caracterizam os principais pontos do ciclo a gás, pressão de injeção, razões ar-combustível, excesso de ar, potência produzida, eficiência global do ciclo e emissões de NOX. Indiretamente foi possível estimar uma redução de emissões de CO2, que pode alcançar os 9,49% através da utilização da mistura com 20% de hidrogénio, com um impacto a nível do custo de operação, que variará entre os 15,85% e os 53,94%.
- Projeto de um sistema AVAC para uma unidade farmacêutica de enchimento assético de injetáveisPublication . Fernandes, Margarida Isabel Gonçalves Assis; Cardoso, João Antero Nascimento dos SantosO fabrico e manuseio de produtos farmacêuticos requerem salas limpas, onde o controlo rigoroso de contaminantes e microorganismos é essencial. A qualidade do ar interior é crucial para garantir a segurança do produto, dos trabalhadores e do meio ambiente. Parâmetros como temperatura, humidade relativa, partículas no ar, fluxo de ar, pressão interior e cargas internas devem ser cuidadosamente monitorizados para evitar contaminações. Com o presente trabalho, pretende-se desenvolver a componente aeráulica de um sistema de AVAC para um conjunto de salas limpas de classe C e D. Para a elaboração do projeto e para alcançar a solução proposta, foi fundamental considerar a legislação vigente e realizar cálculos essenciais, como as necessidades de ar novo e extração, o dimensionamento aeráulico (utilizando os métodos de redução de velocidade para insuflação e perda de carga constante para extração), além dos cálculos de potências de arrefecimento e aquecimento necessários. Também foram consideradas as perdas de carga nos circuitos aeráulicos. O dimensionamento dos sistemas e equipamentos, assim como as cargas térmicas do edifício, foi apoiado pelo software Carrier – HAP (Hourly Analysis Program). Conhecendo as potências necessárias a vencer, 73,4 kW no caso do arrefecimento e 66,5 kW no aquecimento, partiu-se para a seleção da solução, optando-se por duas Unidades de Tratamento de Ar (UTA) com apoio de difusores de insuflação, como unidades terminais. A escolha de utilizar duas UTA deve-se à necessidade de distribuir de forma equilibrada as elevadas cargas térmicas, permitindo um controlo mais eficaz da temperatura nas diferentes zonas do ambiente. Esta abordagem garante maior flexibilidade, redundância e eficiência no desempenho do sistema, além de assegurar que as variáveis térmicas sejam atendidas de maneira otimizada. A implementação do sistema projetado visa então garantir a conformidade com os padrões da indústria farmacêutica, proporcionando um ambiente seguro e controlado, essencial para a produção de medicamentos de alta qualidade.
- Implementação de um sistema integrado de energia, para cura de queijo, com utilização de energias renováveis e Phase Changing Material (PCM’s)Publication . Calvo, Francisco José Abreu e Silva Barradas; Garcia, João Nuno Pinto MirandaO estágio académico na Hiperfrio visa aprofundar o conhecimento da indústria de refrigeração, por meio de atividades práticas e do desenvolvimento de um projeto que consiste na implementação de sistema integrado para a produção de queijo utilizando energias renováveis e phase-changing material (PCM). Atualmente, a procura de energias renováveis é incentivada pela União Europeia (UE), que busca transformar a Europa num continente líder na produção de energia limpa, reduzindo a pegada de carbono. A aplicação dessas tecnologias na indústria, é crucial devido ao alto consumo energético envolvido, principalmente na produção e conservação de alimentos, áreas essenciais para a sociedade. O projeto abrange tanto as fases de produção como de cura do queijo. Na produção, são necessários os processos de pasteurização e coagulação, ambos utilizando água quente para aquecer o leite ou a coalhada. Este aquecimento será fornecido por uma caldeira a pellets, com a possibilidade de utilização de outros combustíveis, e através de coletores solares. Para a cura do queijo, que é realizada numa câmara frigorífica com controlo de humidade, será implementado um sistema de refrigeração com R744 (dióxido de carbono), juntamente com um permutador de calor para apoio ao aquecimento de água. A alimentação será garantida por um conjunto de painéis fotovoltaicos que geram eletricidade durante o dia, complementados por um aerogerador e baterias, responsáveis por armazenar o excedente e fornecer energia durante os períodos sem produção. O objetivo do sistema é ser totalmente autónomo, utilizando tecnologias como sistemas de aquecimento passivo, geração de energia, e PCM para otimizar as horas de funcionamento dos equipamentos. Após a conclusão da instalação, será possível produzir queijo e recolher dados sobre o consumo térmico e elétrico, que poderão ser utilizados para a otimização futura do sistema.
- Modelos de previsão do tempo de vida de dispositivos de armazenamento de energiaPublication . Roque, Rodrigo Valente; Sobral, José Augusto da Silva; Silva, Maria Teresa Oliveira Moura eOs ensaios acelerados de vida são um método que visa simular as condições de uso e desgaste ao longo do tempo num curto período. Permitem que os fabricantes identifiquem potenciais problemas de desempenho, falhas ou degradação precoce no processo de desenvolvimento, o que leva a melhorias na qualidade e fiabilidade do produto. A presente dissertação tem como principal objetivo a definição do tempo de vida de dispositivos de armazenamento de energia, recorrendo ao envelhecimento acelerado de protótipos de supercondensadores, através de ensaios acelerados de vida. É feita uma introdução completa ao tema dos ensaios acelerados de vida e como estes se apresentam na área da fiabilidade e da estatística, e também a um tema cada vez mais emergente no panorama atual português e mundial, que são as energias renováveis e as tecnologias de armazenamento de energia. Para verificar e implementar os conceitos apresentados, no caso de estudo foram realizados ensaios a protótipos de supercondensadores onde foram expostos a várias tensões superiores à de uso normal, visando acelerar a degradação dos mesmos, até se alcançar a falha. O objetivo da realização destes ensaios passou por prever o tempo de vida destes dispositivos em condições normais de utilização, através da extrapolação de dados a um nível de envelhecimento acelerado. Os dados relativos aos ensaios do caso de estudo foram obtidos através da realização de ensaios acelerados designados como floating tests e depois ajustados a um modelo de degradação adequado. De seguida foram analisados e tratados recorrendo a um software que permitiu obter dados acerca da vida destes componentes, prevendo assim o seu tempo de vida útil a um nível de utilização normal e validando assim a vertente teórica demonstrada no Capítulo 4. Com base nos ensaios realizados e da análise feita aos dados, concluiu-se que existe uma redução gradual do tempo até à falha dos dispositivos, à medida que é imposta uma tensão crescente. Notou-se também que existe um intervalo de valores de tensão onde a degradação dos dispositivos evolui exponencialmente até alcançar a falha, indiciando assim um possível fenómeno de degaste acelerado nessa gama de valores.
- Sistemas de desodorização e ventilação em estações de tratamento de águas residuaisPublication . Oliveira, Beatriz Guadalupe Costa de; Henriques, Nuno Paulo Ferreira; Casaca, Cláudia Sofia Séneca da LuzNas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) a emissão de odores desagradáveis é um risco constante, e a proximidade com áreas povoadas torna-os um problema, visto que reduz a qualidade do ar e, consequentemente, a qualidade de vida da população. Como solução os espaços de tratamento são cobertos para conter os odores. No entanto, a cobertura por si só não é o suficiente, necessitando de um sistema de ventilação e desodorização para assegurar as concentrações de poluentes aceitáveis, tanto nos espaços confinados com ou sem presença humana, quanto no ar libertado para o exterior. O presente trabalho teve como objetivo analisar e otimizar dois sistemas de ventilação e desodorização da ETAR de Frielas: a "linha da torre 1", que extrai ar da 1ª elevação inicial, gradagem e oficinas, e a "linha da torre 2", que extrai ar do canal de medição, edifício de desarenamento/desengorduramento, decantação primária e elevação secundária. Através das visitas técnicas foram identificadas deficiências e comparados os caudais e pressões medidos com os valores do projeto. Posteriormente, foi elaborada uma lista de melhorias e redimensionada a linha da torre 1, pois a linha da torre 2 estava inoperacional. Para a torre 1, foram propostas duas configurações, dimensionadas para três cenários, envolvendo o encerramento da linha das oficinas, o aumento das renovações horárias na gradagem (8/10/20 ren/h) e a extração de ar do 2º estágio de elevação (3/5/6 ren/h). Embora, a solução 1 seja mais simples de implementar por ser a extensão da configuração atual, a solução 2 apresenta uma ventilação mais eficiente, menores perdas de carga e custos energéticos (Cenário 1: -3,5%; Cenário 2: -6,1%; Cenário 3: -18,8%). No fim, foram propostos dois ventiladores com uma redução mínima de custos energéticos de 51%.
- Projeto de ortótese para imobilização articular mão-antebraçoPublication . Esteves, Íris de Castro; Milho, João Filipe de Almeida; Portal, Ricardo José FontesA evolução das técnicas de imobilização ortopédica tem alterado bastante a perspetiva de tratamento de lesões ósseas, superando algumas das adversidades encontradas aquando da utilização do gesso tradicional. Entre essas soluções, destacam-se as ortóteses morfologicamente adaptadas, que visam otimizar o tratamento e a recuperação do utente, utilizando materiais diferentes e tecnologias avançadas, como a impressão tridimensional, para proporcionar uma imobilização personalizada. O presente trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma ortótese morfologicamente adaptada que garanta a imobilização articular entre a mão e o antebraço, com base em ferramentas computacionais de projeto assistido por computador. A metodologia de obtenção de imagem para capturar a morfologia da mão e antebraço foi estabelecida com base em critérios de precisão, eficácia e facilidade de uso, sendo identificados a tomografia computadorizada e o processo de fotogrametria como ferramentas de engenharia inversa. Com base na imagem morfológica foi desenvolvido um modelo de desenho assistido por computador para a ortótese. Foram realizadas simulações de elementos finitos para avaliar a resistência estrutural e a capacidade de imobilização da ortótese, revelando que a mesma suportou uma carga de 100 N, com uma tensão máxima de von Mises de 19,774 MPa, um coeficiente de segurança de 1,8 e uma deformação máxima de 2,48 mm. Adicionalmente, um estudo de otimização topológica permitiu reduzir a massa da ortótese em 17%, mantendo a capacidade de suportar 100 N. Nas condições mais críticas, a tensão máxima foi de 29,66 MPa, com um coeficiente de segurança de 1,2 e uma deformação máxima de 2,85 mm. Estes resultados confirmam que a ortótese desenvolvida é estruturalmente resistente e adequada para imobilização em situações quotidianas.
- Avaliação de cenários de descarbonização do setor rodoviário portuguêsPublication . Salvador, João Paulo Henriques; Duarte, Gonçalo Nuno de Oliveira; Baptista, Patrícia de Carvalho; Varella, Roberto AliandroTendo em conta as metas nacionais e europeias de descarbonização, o sector dos transportes possui elevada relevância, considerando que representa cerca de 25% das emissões de gases de efeito de estufa. O presente trabalho tem como objetivo analisar estratégias de descarbonização no sector dos transportes, de forma a verificar as metas 2050. Foi utilizado um modelo que tem por base o histórico do parque automóvel nacional, as vendas de novos veículos e o abatimento dos mais antigos, para estimar a composição do parque automóvel até 2050. Pela elevada importância da mobilidade elétrica e considerando a que a partir de 2035 deixarão de ser vendidos veículos com motores de combustão interna, foram analisados cenários de penetração de veículos elétricos e de combustíveis sintéticos, que cumpram com reduções de 55% de gases de efeito de estufa em 2030 (face a 2005) e 90% em 2050 a nível europeu. Adicionalmente, também serão analisadas as premissas do Roteiro para Neutralidade Carbónica, que se prevê que a mobilidade elétrica nos ligeiros de passageiros seja superior a 36% até 2030 e atinja os 100% em 2050. Os resultados obtidos indicam que será difícil atingir as metas de descarbonização de curto prazo (2030) preconizadas para o setor dos transportes a nível nacional, mesmo num cenário em que os BEV atingem uma quota de mercado de 60% já em 2030 e 85% em 2050. No entanto os resultados demonstram também que mesmo assim as metas definidas para médio/longo prazo (2050) ainda são alcançáveis havendo mais que um caminho possível para o fazer, já que em todos os cenários desenvolvidos, é alcançada uma redução acima dos 90% das emissões WTW de CO2, algo que está alinhado com as metas gerais de redução de 85-90% das emissões de GEE definidas no RNC2050.