Dissertações - Engenharia Mecânica - FEB

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    Sustentabilidade industrial combinado com conceitos de mitigação de efeito estufa aplicado ao processo de retificação
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-08-04) Carvalho, Guilherme Antônio; Lopes, José Claudio Lopes; Bianchi, Eduardo Carlos [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A retificação é um processo de usinagem aplicado em diversas indústrias, aplicada na fabricação de peças que necessitam um excelente acabamento superficial, ou superfícies com alta precisão geométrica. Desse modo, qualquer erro durante a usinagem gera um grande prejuízo, pois invalida os processos anteriores à retificação. Por conta disso, o estudo sobre esse processo, sob diversos cenários, é necessário, a fim de otimiza-lo. Com o avanço da engenharia dos materiais, novos elementos estão sendo usados como matéria-prima na indústria, as cerâmicas é um desses materiais, por conta de sua estabilidade química e térmica, associada a uma alta durabilidade, a sua aplicação em caldeiras e válvulas vem aumentando. Entretanto, essas mesmas qualidades que possibilitam sua utilização, dificultam sua usinagem, principalmente pelas altas temperaturas durante o processo. A fim de reduzir esse problema, novos métodos de lubrirrefrigeração vem sendo estudados, em conjunto com esses materiais. Nesse trabalho, será estudado o comportamento de peças anelares de óxido de alumínio, retificadas com rebolos de diamante sintético. Para o controle da temperatura, a performance de três métodos de refrigeração será estudada, sendo eles o método com fluido em abundância, mínima quantidade de lubrificação (MQL) e MQL associado com a limpeza do rebolo (WCJ) (MQL+WCJ), aplicado em diferentes angulações (0°, 30°,60° e 90°). Para avaliar a performance da usinagem, parâmetros como a rugosidade (Ra), desvio de circularidade, desgaste diametral do rebolo, razão G, potência de retificação, força tangencial e uma análise dos custos e poluição envolvendo cada aplicação também foram feitos. Ao final, o método convencional de lubrificação flood apresentou a melhor performance para o acabamento superficial e desvio de circularidade, entretanto, o método de MQL+WCJ, com um ângulo de 30° apresentou resultados próximos, se mostrando competitivo. As aplicações de MQL apresentaram baixos valores de poluição, quando comparados ao método convencional, sendo assim uma ótima alternativa verde para esse sistema de lubrificação.
  • ItemDissertação de mestrado
    Processo de retificação de cerâmica avançada combinado à mitigação de riscos à saúde dos colaboradores usando uma técnica alternativa de lubrirrefrigeração
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-06-30) Fernandes, Lucas de Martini; Lopes, José Claudio [UNESP]; Bianchi, Eduardo Carlos [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    As cerâmicas avançadas tornaram possíveis diversas aplicações que eram inconcebíveis anos atrás. A utilização atual na indústria aeroespacial é um dos exemplos de sucesso de aplicação, sendo ainda o material altamente desejado em diversos tipos de indústria, tais como de defesa, automotiva e biomédica, devido às suas ótimas propriedades de elevada força específica, resistência à corrosão, estabilidade em elevadas temperaturas, baixa dilatação térmica, entre outras propriedades, entretanto, o alto custo de manufatura atrapalha o crescimento deste mercado. Para estes materiais, a maneira mais usual de obter a geometria final de uma peça nas tolerâncias desejadas é por meio de retificação com rebolos diamantados, visto que a retificação costuma ser o processo selecionado quando são necessárias superfícies ou geometrias de elevada qualidade ou se materiais frágeis precisam ser usinados. Um dos sistemas que representa elevado custo na operação de retificação é o de lubri-refrigeração, que, de acordo com diversos estudos feitos por outros autores, representa entre 16 – 20% do custo total, enquanto a ferramenta costuma entre 4 – 7%. Além destes fatos, o uso de fluido convencional é ainda responsável por uma grande quantidade de emissão de dióxido de carbono equivalente, considerando desde fabricação até descarte do material, por este motivo, sendo importante encontrar caminhos mais sustentáveis, ao mesmo tempo que visando obter viabilidade econômica. Assim, este trabalho explora a retificação cilíndrica externa de mergulho em peças do material alumina 96%, utilizando rebolo diamantado e com algumas variações de método de lubri-refrigeração (convencional, MQL e MQL + WCJ) e de velocidade de avanço (0,25; 0,5 e 0,75 mm/min), visando análise do desempenho dos métodos em diferentes condições de taxa de remoção de material, sendo feita a ponderação de três aspectos relacionados à ecoeficiência: qualidade da peça (nos parâmetros desvio de circularidade e rugosidade, junto à análise em microscópio confocal), custos da operação (para o qual foram coletados parâmetros tais como desgaste diametral do rebolo; relação G; potência demandada) e emissão de carbono equivalente, temas de grande relevância no mundo atual e para futuros de curto e longo prazo. Os resultados obtidos indicaram ótimo desempenho da condição MQL + WCJ nos quesitos custo total e emissão de dióxido de carbono equivalente, enquanto tendo menor desempenho que o sistema convencional no quesito qualidade da peça, sendo uma escolha interessante quando não é necessária alta taxa de remoção de material, visando as vantagens dos quesitos ambiental e custo. O uso de apenas MQL mostrou resultados ambientais consideravelmente melhores do que o sistema convencional, entretanto, nos critérios qualidade da peça e custos, não teve bons resultados, sendo possivelmente viável em condição de baixa taxa de remoção de material, enquanto a lubri-refrigeração convencional apresentou os melhores resultados de qualidade de peça e em elevadas taxas de remoção de material, tendo em detrimento o maior nível de emissão de dióxido de carbono equivalente, independente da velocidade de avanço analisada, e riscos de saúde aos operadores, assim como ambientais.
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    Fabricação e caracterização mecânica e estrutural de compósitos cerâmica-grafeno
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-03) Faglioni, Felipe Dias; Foschini, Cesar Renato [UNESP]; Estrada, Flávia Regina; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A fabricação de compósitos é uma forma efetiva para aumentar os valores da baixa tenacidade à fratura de materiais cerâmicos, o que caracteriza sua fragilidade. A influência microestrutural que garante tal aumento para essa propriedade já foi amplamente estudada, todavia, existe uma lacuna no conhecimento quanto contribuição estrutural para propriedades como a dureza ou a própria tenacidade à fratura. Sendo assim necessário caracteriza-la para observar seus efeitos. Por caracterização estrutural, estende-se: efeito de difusão observado no parâmetro de rede de cada fase, transições estruturais, textura e direção preferencial de alinhamento e até tipos e densidades de defeitos. A fim de relacionar o efeito da estrutura na propriedade mecânica, foram produzidas amostras cerâmicas reforçadas com grafeno para demonstrar a influência estrutural em suas propriedades mecânicas. Para tal utilizou-se uma matriz com 94% Al2O3 + 6% (92 ZrO2 + 8 Y2O3), disposta em cinco amostras com a adição de 0,0%, 0,5%, 0,75%, 1,00% e 1,25% em massa de grafeno multicamadas. Os compósitos apresentaram um ganho de aproximadamente 40% na tenacidade à fratura e 70% na dureza. O ganho na tenacidade à fratura é explicado através da observação de predominância da fratura transgranular nos compósitos com o melhor resultado, como descrito na literatura. O ganho na dureza recebeu uma abordagem inédita, através da avaliação da estrutura cristalina usando a técnica de difração de raios X. Nesses resultados observou-se que a presença do material de reforço induziu mudança da fase tetragonal para cúbica na zircônia estabilizada com ítria, assim como influenciou os parâmetros de rede nas demais fases. Tais mudanças puderam ser utilizadas para explicação do comportamento da dureza. Assim conclui-se que tais mudanças estruturais são fundamentais para futuras predições das propriedades mecânicas desses compósitos.
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    Avanços na fabricação de superfícies interrompidas pela aplicação de diferentes técnicas de lubrirrefrigeração no processo de retificação
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-23) Souza, Hélio Aparecido de; Lopes, José Claudio [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A retificação de geometrias interrompidas apresenta dificuldades técnicas como impactos mecânicos e maiores gradientes térmicos em relação á retificação de geometrias contínuas, resultando em diminuição da qualidade da peça, desgaste prematuro da ferramenta e aumento de custos. No entanto, poucos estudos sobre retificação interrompida estão disponíveis. Nesse contexto, a presente pesquisa avalia a retificação cilíndrica de mergulho de peças com diferentes geometrias (0, 2, 6 e 12 ranhuras), feitas de aço AISI 4340 temperado e revenido, retificadas com rebolo de CBN. Foram usados o sistema convencional de lubrirrefrigeração e o sistema otimizado com bocal convergente, aplicados em três velocidades de avanço (0,25 0,50 e 0,75 mm/min). Os parâmetros de saída analisados formam rugosidade superficial, desvio de circularidade, desgaste diametral do rebolo, razão G, potência de retificação, análise metalográfica e custo do rebolo. O método de lubrirrefrigeração por jato convergente apresentou melhor desempenho que o método convencional em todas as condições testadas, reduzindo em até 25% a rugosidade superficial, 20% o desvio de circularidade, 11% o desgaste diametral do rebolo, 11% a potência de retificação e 23% o custo do rebolo, indicando sua viabilidade para a retificação de geometrias interrompidas.
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    Análise do comportamento dinâmico de uma esteira transportadora não-ideal através de simulações numéricas e experimentais
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-02) Oliveira, Leandro Rodrigo; Balthazar, José Manoel [UNESP]; Bueno, Atila Madureira [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Esteiras transportadoras são equipamentos com ampla utilização em processos in dustriais. Tal fato, deve-se a necessidade de tais processos em transportar materiais sólidos através das etapas de transformação de matéria-prima em produto final. Dife rentes configurações de projetos de esteiras são utilizadas de acordo com os requisitos exigidos pelo processo industrial, destes, encontra-se variação na utilização de materiais construtivos. O presente trabalho consiste na investigação de uma esteira transportadora utilizada no processo produtivo de açúcar e álcool, também conhecido como usina sucroalcooleira, muito comuns no Brasil e América Latina. O processo em questão, consiste no trans porte da matéria-prima (cana-de-açúcar) por uma esteira transportadora, promovendo a alimentação constante do processo seguinte, denominado extração. Dessa forma, o equipamento investigado possui impacto direto na produtividade do sistema. Devido isso, propõe-se uma investigação do comportamento dinâmico desse equipa mento, através da investigação realizada com análises numéricas e experimentais. Um modelo matemático simplificado, onde a esteira transportadora é representada por um corpo rígido e a estrutura de suportação da mesma, representada por 4 molas é util zado nas simulações numéricas. As análises experimentais são realizadas através de um aparato que reproduz as características geométricas do modelo matemático descrito, utilizando uma arquitetura feita com dispositivos de IoT. Em ambas as análises, a fonte de energia limitada que aciona a esteira é um motor CC não-ideal, fixado na estrutura da mesma, constituindo um sistema não-ideal. O motor CC possui um desbalanceamento dinâmico, promovendo assim, vibrações na estrutura. Essas, por tratarem-se de um sistema não-ideal, possuem não-liearidades e fenômenos característicos, como o efeito Sommerfeld, objeto principal de estudo desse trabalho.
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    Aplicação sustentável de diferentes técnicas de lubrirrefrigeração no processo de retificação de cerâmica avançada
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-17) Talon, Anthony Gaspar; Lopes, José Claudio [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Existe uma crescente demanda por projetos com materiais que serão utilizados em aplicações inertes, onde nenhuma reação física ou química pode interagir com os elementos ao seu redor. Juntamente com a demanda desses projetos, surge a necessidade de estudar os processos de fabricação desses materiais. Nesse sentido, um novo conceito de processo de fabricação precisa ser explorado, pois os estudos sobre aplicações cerâmicas avançadas como elementos internos de motores, estruturas aeronáuticas, sensores, supercondutores, capacitores e principalmente como biomateriais aplicados como próteses e órteses pela medicina, começam a ganhar espaço. No entanto, ainda faltam estudos sobre os processos de fabricação em larga escala desses produtos, principalmente relacionados à sua retificação. Portanto, é fundamental estudar as melhores formas de processamento de materiais que serão essenciais para as indústrias mecânica, eletrônica e biológica em um futuro próximo. Além disso, estudos sobre cerâmicas avançadas têm se tornado cada vez mais indispensáveis, baseados em fatores como alto valor agregado devido à dificuldade de fabricação aliada ao alto impacto ambiental causado por este processo. No entanto, as cerâmicas avançadas são materiais de difícil usinagem devido às suas propriedades de alta dureza e fragilidade, tornando necessários processos de fabricação mais complexos, como a retificação. Portanto, este trabalho explorou diversas condições aplicadas à cerâmica avançada, abordando as principais variáveis utilizadas pelas indústrias mundiais, sendo elas: rugosidade (Ra), desvio de circularidade, desgaste diametral do rebolo, razão G, potência de retificação e análise de custos do processo. O processo de retificação utilizado na pesquisa foi do tipo cilíndrica externa de mergulho utilizando um rebolo diamantado aplicado a quatro diferentes velocidades de avanço: 0,25, 0,50, 0,75 e 1,00 mm/min. Além disso, foram utilizados dois sistemas de aplicação de fluido de corte no processo: técnicas de lubrificação convencional e MQL, com vazão de 15 l/min e 100 ml/h, respectivamente. Os resultados indicaram que o MQL gerou uma perda de qualidade nas variáveis de saída e apresentou custos mais elevados ao processo. Nesse sentido, o MQL não se mostra como uma alternativa viável para a retificação de cerâmicas com rebolo de diamante.
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    Desenvolvimento industrial sustentável aplicado ao processo de retificação de alumina usando conceitos para mitigação do efeito estufa
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-01-27) Domingues, Bruno Biondo; Lopes, José Cláudio [UNESP]; Bianchi, Eduardo Carlos [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A utilização de cerâmicas avançadas vem constantemente ganhando espaço na indústria moderna. Suas características, que possibilitam a obtenção de um material resistente, inerte e durável fazem com que sejam materiais de desejo nos processos de construção mecânica automobilística, aeroespacial, de equipamentos laboratoriais e biomédicos. O processo de retificação naturalmente complexo devido ao grande número de variáveis e seus controles, se torna ainda mais rigoroso ao usar materiais com as características de cerâmicas avançadas. Uma consequência do processo em si é a facilidade do mecanismo de retificação em gerar calor e essa geração de calor em excesso na peça e na ferramenta torna como requisito o emprego de um método de lubrirrefrigeração para obtenção de bons resultados. Em contrapartida ao método de lubrirrefrigeração convencional desenvolveu-se a técnica de mínima quantidade de lubrificante (MQL), visando diminuir a quantidade óleos empregados no processo, diminuindo também o custo agregado e o impacto sobre o meio ambiente sem perder por completo a qualidade nas peças produzidas. Portanto, vislumbrou-se a necessidade de compreender os efeitos da técnica de MQL na produção de peças de cerâmicas avançadas. Deste modo, a rugosidade média aritmética, o desvio de circularidade, o desgaste diametral do rebolo, o sinal de emissão acústica, a potência elétrica do motor, o custo agregado por peça fabricada e a quantidade de poluentes emitidas por peça fabricada foram os parâmetros selecionados para avaliar o impacto da utilização do método de MQL na indústria. Comparou-se o método de MQL ao método convencional, variando a diluição da mistura de óleo e ar comprimido em água MQL Puro (100% fluido de corte), MQL 50% (50% de água na mistura), MQL 25% (75% de água na mistura) e MQL 15% (85% de água na mistura). Ao fim, observou-se que o emprego do método MQL se apresentou como uma solução viável ao método convencional, gerando menor emissão de poluentes a um menor custo de fabricação, mantendo parte das qualidades superficiais esperadas ao final do processo.
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    Efeito da retificação com diferentes grãos abrasivos aplicado no ferro fundido nodular austemperado atrelado a qualidade e custo industrial.
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-01-25) Souza, Rodrigo Ráfaga de [UNESP]; Lopes, José Claudio [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O ferro fundido nodular austemperado tem tomado espaço nas aplicações industriais devido as boas propriedades de manufatura, tais como usinabilidade, capacidade de tratamento térmico, elevada resistência mecânica, bom escoamento em moldes e baixo custo de fabricação. Haja vista a facilidade de confeccionar peças com dimensões próximas as desejadas. No entanto, para alguns conjuntos mecânicos é indispensável a aplicação de processos de usinagem para a correção de superfícies, otimização de rugosidade e padronização dimensional conforme norma. O processo de usinagem de retificação onde há o uso de abrasivos, tem uma posição estratégica na cadeia produtiva para o alcance desses parâmetros onde são necessários altos índices de qualidade. Há uma crescente variedade de grãos abrasivos a serem aplicados, todavia, para a retificação do ferro fundido nodular austemperado, destaca-se o uso de grãos de nitreto de boro cúbico (CBN) com variações de friabilidade que possibilitam maior rendimento no processo. Dessa forma, vislumbrou-se a necessidade de somar estudos a sociedade científica sobre a retificação do ferro fundido com diferentes friabilidades nos grãos abrasivos de CBN, conteúdo ao qual ainda é pouco explorado cientificamente. Para o estudo com utilização de dois rebolos com friabilidades diferentes, aplicou-se lubrirefrigeração constante, variando a velocidade de avanço em 0,5; 1,0 e 1,5 mm/min onde foi analisado o comportamento de rugosidade média aritmética (Ra e Rz), desvio de circularidade, desgaste diametral do rebolo, energia específica, emissão acústica, microdureza, microscopia óptica e análise de custo. Logo, na maioria dos resultados obtidos, o rebolo que possui grão abrasivos com menor friabilidade se comportou de maneira melhor quando comparado com o rebolo de maior friabilidade, devido a estabilidade do grão e maior resistência mecânica a deformação plástica.
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    Abordagem para determinação de coeficientes de rigidez não linear de uma estrutura periódica através da energia de deformação
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-12-16) Cruz, Rodrigo dos Santos; Silveira, Marcos [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O objetivo deste trabalho é explorar o comportamento dinâmico de um modelo discreto de uma estrutura periódica sob entrada harmônica com rigidez não linear. A estrutura periódica possui uma célula unitária com três graus de liberdade. Uma abordagem é apresentada para substituir a característica de rigidez linear da estrutura por uma não linear em que os coeficientes de rigidez não linear fornecem a mesma energia de deformação. O efeito desta abordagem na resposta dinâmica é analisado numericamente, com foco nos bandgaps. O modelo matemático do sistema de parâmetros discretos é analisado por meio de simulação numérica. A abordagem para determinar os coeficientes de rigidez não linear é baseada no conceito de energia de deformação elástica equivalente. Isso é diferente da abordagem comum encontrada na literatura de adicionar um termo cúbico ao original, resultando num aumento da energia de deformação elástica do sistema. Uma vez que a energia de deformação do sistema linear é determinada, uma família de possíveis coeficientes de rigidez não linear é encontrada, parametrizada pela razão entre os coeficientes linear e cúbico. Essa abordagem pode ser usada com características de rigidez de endurecimento ou amolecimento. Com os coeficientes de rigidez não linear definidos, a resposta dinâmica da estrutura periódica mostra a mudança usual para altas e para baixas frequências. Além disso, são mostradas algumas faixas de frequência onde os níveis de vibração podem ser fortemente reduzidos quando a razão entre os coeficientes de rigidez não linear é aumentada, em comparação com o caso em que há apenas molas lineares. Por fim, mostra-se que a adição do componente não linear na estrutura pode aumentar ou diminuir a distância entre as frequências ressonantes.
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    Avaliação de ferramentas de corte texturizadas revestidas e preenchidas com nanotubos de carbono
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-12-16) Luizete, Claiton Eduardo; Sanchez, Luiz Eduardo de Angelo [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Grande parte dos esforços para evolução dos processos de usinagem tem focado em novos materiais para ferramentas de corte e revestimentos, bem como técnicas eficientes para aplicação de fluido de corte. No entanto, a texturização de micro e nano-geometrias na superfície de saída das ferramentas tem-se mostrado uma importante alternativa para melhorar o desempenho da usinagem. Para o corte a seco, a redução da área de contato entre cavaco e ferramenta permite menor interação entre as partes, reduzindo as temperaturas e adesão, com consequente aumento da vida da ferramenta de corte. Ademais as geometrias texturizadas permitem maior alcance e retenção do fluido de corte, quando aplicado, aumentando a eficiência na troca térmica. Trabalhos recentes têm proposto a inserção de materiais com características lubrificante no interior das texturas e, mais recentemente, a introdução de materiais com alta condutividade térmica. Este trabalho tem como objetivo avançar no desenvolvimento de ferramentas de corte texturizadas preenchidas com nanotubos de carbono, porém aplicando revestimento de TiAlN antes do preenchimento das micro ranhuras com nanotubos de carbono. Foram empregadas ferramentas de corte de metal duro, texturizadas por meio de laser, e posteriormente revestidas de TiAlN pelo processo de PVD. O torneamento em aço em aço ABNT 1045 foi aplicado para avaliar condições de vida e desgaste da ferramenta de corte, força de usinagem, temperatura na ferramenta de corte, atrito na interface cavaco/ferramenta e adesão de material da peça na ferramenta de corte sob velocidade de corte de 150 m/min em condições a seco, com fluido de corte e a seco com nanotubos de carbono. Como principal resultado foi verificado que houve proximidade na vida da ferramenta, dada em volume de material removido, entre a condição com nanotubos de carbono e texturas sob fluido de corte.
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    Influência da rigidez não linear no projeto de neutralizadores de vibrações
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-10-19) Almeida, Atila de Carvalho; Gonçalves, Paulo José Paupitz [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Uma solução para reduzir a vibração em uma estrutura primária é utilizando neutralizadores dinâmicos de vibração. Estes dispositivos são utilizados para o controle passivo de vibração, e são geralmente sintonizados na frequência de uma força harmônica externa. São compostos por uma massa auxiliar e um sistema de suspensão, com elementos de rigidez e amortecimento. Estes elementos podem ser configurados de forma não linear, com o objetivo de melhorar a eficácia do mesmo no que diz repeito a atenuação de vibração. Esta dissertação de mestrado versa sobre a aplicação de uma metodologia capaz de modelar sistemas mecânicos discretos e contínuos lineares com o acoplamento de um neutralizador dinâmico não linear. As funções de resposta em frequência são obtidas considerando uma aproximação pelo método do balanço harmônico de primeira ordem, e diferentemente dos métodos tradicionais, as equações de movimento são calculadas assumindo uma força de excitação exponencial complexa, assim como as variáveis de deslocamento são expandidas em componentes reais e imaginárias, e resolvidas utilizando o método da continuação no PyDSTool (Pacote do Python). O comportamento dinâmico das estruturas são apresentadas através da magnitude da função de receptância, comparando as respostas com as da estrutura com o uso de um dispositivo auxiliar linear, para observar a mudança da frequência linear sintonizada. A partir das respostas dinâmicas, observou-se que a alteração do coeficiente não linear da rigidez do nNDV, provocava uma mudança da frequência linear sintonizada, sendo esta mudança maior com o uso de uma mola do tipo hardening do que em uma mola do tipo softening.
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    Análise numérica da transferência de calor por convecção natural entre superfícies isotérmicas horizontais onduladas
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-26) Nunes, William; Oliveira, Santiago del Rio [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Este projeto consiste na análise numérica da transferência de calor por convecção natural a partir de duas placas horizontais separadas verticalmente, contendo ondulações em ambos os lados. A distância vertical que separa as placas, é relativamente pequena, de tal forma que o escoamento proveniente de ambas as placas influencia nas taxas de calor a partir de cada placa. As ondulações consideradas neste projeto possuem formato retangular com altura constante, tendo o efeito de aumentar a taxa de transferência de calor das placas aquecidas para um fluido adjacente, no caso, ar ambiente. O objetivo principal desse projeto consiste na determinação da taxa de transferência de calor por convecção natural, a partir das placas horizontais onduladas e o ar ambiente. Efeitos na taxa de transferência de calor por convecção natural, a partir das superfícies individuais de cada placa, bem como a partir da superfície total de cada placa, serão analisados em função das seguintes variáveis: número de ondulações, largura adimensional das ondulações, distância vertical adimensional entre as placas e do número de Rayleigh. Os resultados serão obtidos numericamente, utilizando o modelo de turbulência k-épsilon padrão, incluindo efeitos das forças de empuxo com o auxílio do software ANSYS FLUENT. Em função dos resultados obtidos, foram feitas recomendações geométricas da situação em análise, que forneceram a maior melhoria na taxa de transferência de calor por convecção natural, a partir das superfícies horizontais onduladas.
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    Análise paramétrica e otimização estrutural de prótese dentária unitária sobre implante utilizando modelos de Elementos Finitos
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-05) Andrade, Matheus Prevelato de; Sousa, Edson Antônio Capello [UNESP]; Hernandez, Bruno Agostinho; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Próteses odontológicas sobre-implantes são amplamente utilizadas no tratamento de pacientes com perda dentária. Apesar da alta taxa de sucesso, falhas mecânicas ainda ocorrem, muitas das quais causadas por falta de osseointegração, processo diretamente ligado às características geométricas e estruturais da prótese e da relação desta com o osso. Neste contexto, análises paramétricas e de otimização são utilizadas para identificar a influência de parâmetros construtivos no comportamento mecânico de próteses e encontrar uma combinação destes parâmetros que levam a melhores níveis de tensão no osso. O Método dos Elementos Finitos (MEF) é amplamente aplicado no desenvolvimento de novas próteses devido à capacidade de análise de estruturas complexas. O objetivo deste projeto é realizar uma análise paramétrica e um processo de otimização de uma prótese odontológica unitária sobre-implante. A análise paramétrica foi desenvolvida através de uma função matemática obtida a partir da Metodologia de Superfície de Resposta (RSM), que representa o comportamento estrutural da prótese em função de parâmetros pré-definidos, como a altura do implante, altura do abutment, Módulo de Elasticidade do osso cortical e carga aplicada. Para construir esta função, utilizou-se dos resultados de vinte e cinco modelos de Elementos Finitos com diferentes combinações dos parâmetros, as quais foram determinadas pela metodologia de Projeto por Experimentação (DOE). Através dessa função, analisou-se a influência de cada parâmetro na resposta mecânica, em termos de tensão de von Mises na região de interface entre osso cortical e implante. Esta função também foi utilizada no desenvolvimento de um processo de otimização que minimizou a tensão de von Mises no osso cortical. Constatou-se que dentro do domínio estudado todos os parâmetros têm comportamento linear e o mais influente é a carga aplicada. A tensão de von Mises é inversamente proporcional à altura do implante, e diretamente proporcional à altura do abutment, ao módulo de elasticidade do osso cortical e à força aplicada na coroa, portanto, o valor máximo da altura do implante juntamente com os valores mínimos da altura do abutment, módulo de elasticidade do osso cortical e de força aplicada é a combinação de parâmetros que minimiza a tensão de von Mises. Desta forma, apresenta-se além da influência dos parâmetros na resposta mecânica no osso cortical, um processo mais ágil na estimativa das tensões atuantes, através de uma função, e também a combinação de parâmetros obtida através da otimização que minimiza a tensão de von Mises no osso cortical.
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    Estimativa de vida em fadiga de estruturas submetidas a excitações randômicas e análise comparativa com resultados de ensaios de durabilidade
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-01) Lugli, Vinicius; Gonçalves, Paulo José Paupitz [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Considerando as dificuldades da etapa de dimensionamento por fadiga de estruturas submetidas à carregamentos dinâmicos randômicos, a escolha da metodologia para estimativa de vida em fadiga destas estruturas é muito relevante para a complexidade, custo e eficiência deste processo. Portanto, a proposta principal desta dissertação é avaliar dois métodos de estimativa de fadiga distintos com auxílio de análises pelo método de elementos finitos (MEF). A primeira metodologia utiliza uma análise dinâmica transiente (TDA) pelo MEF e o algoritmo de contagem de ciclos de amplitude de tensão, pelo método de Rainflow, para estimativa do ciclo de fadiga. O segundo processo utiliza o método espectral proposto por Dirlik, onde a estimativa do ciclo de fadiga é dada por uma função densidade de probabilidade (PDF) de amplitude de tensões. Esta PDF é calculada combinando a função de resposta em frequência (FRF) da estrutura, resultado de uma análise harmônica de resposta em frequência pelo MEF, com a densidade espectral de potência (PSD) do sinal randômico de fadiga. Para complementar o trabalho, um ensaio de durabilidade foi idealizado para ensaiar vinte e quatro corpos de prova divididos em três ciclos. O resultado destes ensaios possibilita a obtenção de informações estatísticas sobre a resistência à fadiga do material, e auxiliam no processo de calibração dos parâmetros de entrada da análise pelo MEF. Com os cálculos computacionais e os ensaios de durabilidade em laboratório, chega-se à conclusão de que a estimativa de fadiga pelo método proposto por Dirlik foi 12,6% mais severa que o método de Rainflow, e 7,8% menos severa do que o resultado médio de falha da estrutura durante ensaio de durabilidade. Os resultados obtidos pelos métodos propostos saíram conforme esperado, ambos com relativa precisão, e com isso o método de Dirlik se confirmou viável para estimar o ciclo de fadiga de estruturas submetidas a processos randômicos. Além de sua eficiência na estimativa do ciclo de fadiga, o método espectral demanda um menor custo computacional para solução da análise FEA de sistemas de alta complexidade. Visando confirmar os resultados obtidos, a estrutura do paralama de uma máquina agrícola automotriz foi modelada pelo MEF e teve sua fadiga estimada pelo método de Dirlik. Esta estrutura foi submetida a um ensaio de durabilidade em pista de provas e com as medições realizadas durante este ensaio foram determinados os parâmetros de entrada da análise pelo MEF e da estimativa de fadiga pelo método espectral. Apesar da alta complexidade da estrutura analisada, o desvio relativo entre a estimativa de vida de fadiga (Dirlik) e o tempo médio de falha dos quatro paralamas ensaiados em pista de provas, foi de +10,4%. Este desvio obtido está dentro da expectativa, principalmente considerando a determinação teórica da tensão de resistência à fadiga do material.
  • ItemDissertação de mestrado
    Investigação inicial da estimativa de vazão de uma torneira residencial via vibração medida na válvula registro
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-08-04) Torres, Cleber Lucena; Almeida, Fabrício César Lobato de [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Atualmente, os métodos convencionais de medição de vazão são intrusivos, havendo a necessidade de instalação de medidores de vazão nas tubulações que transportam o fluido. Algumas investigações já foram conduzidas para desenvolver técnicas de medição de vazão não intrusivas, principalmente usando sinais vibroacústicos aquisitados diretamente na tubulação, onde a vibração induzida pelo escoamento pode ser utilizada para estimar a vazão. No entanto, tais técnicas são muito precisas para altos valores de vazão que estão relacionados ao nível de vibração, especialmente quando o escoamento é turbulento. Este não é o caso quando se considera a vibração do ruído de componentes geralmente encontrados em residências, como torneiras, onde o fluxo de água é muito menor do que nos casos industriais. Aqui, para ruído gerado pela passagem de água pela torneira, a vibração induzida é medida em uma válvula do tipo registro. Os sinais de vibração aquisitados, para diferentes vazões da torneira, são analisados por meio do processamento de sinais clássicos no domínio do tempo e no domínio da frequência, usando técnicas clássicas de vibração como Root Mean Square (RMS), Assimetria (Skewness), Curtose, Densidade Espectral de Potência (Power Spectral Density - PSD) e Coerência, de forma a caracterizar o problema, verificar a influência de possíveis variações de pressão e vazão da rede de alimentação de água na residência onde se encontra o objeto de estudo, tanto para medições realizadas em pequenos intervalos de medições, quanto com medições realizadas em dias distintos, mantendo-se próximas, em ambos os casos, as condições de medições, para verificar a influência da localização (distância) da torneira ao ponto de medida (válvula), bem como, a influência do uso de acelerômetros com diferentes sensibilidades. Por fim, o método de Decomposição de Modo Variacional (Variational Mode Decomposition – VMD), associado a PSD, são então usados para fornecer uma estimativa das larguras de banda de frequência representativas da resposta de vibração da válvula, devido a excitação de ruído provocada pela passagem de água no mecanismo de abertura e fechamento da torneira. Um método é proposto, filtrando os sinais com as bandas de frequência determinadas para atenuar o ruído de fundo, calculando os valores RMS para estas bandas de frequência, assim como suas frequências centrais e frequências de pico. Verificou-se que o método proposto é eficaz para estimar a vazão das torneiras via vibração de válvulas em duas faixas distintas de vazão, faixa de baixa e alta vazão, atingindo um erro de estimativa, no geral, menor que 10% para a maioria das vazões estimadas. Não foi possível estimar as vazões para uma faixa intermediária de vazão, mas é possível dizer que se trata de vazão moderada em uma faixa de vazão específica. Além de estimar a vazão da torneira via vibração da válvula do tipo registro, os resultados desta pesquisa podem ser usados para outras aplicações, como, por exemplo, para detecção de vazamentos em tubulações e acessórios, uma vez que a energia vibratória relacionada a estes vazamentos se assemelha a energia vibratória de uma torneira em uso. Também é possível, talvez, aplicar nas indústrias, sendo uma alternativa viável de medição de vazão de baixo custo, não intrusiva e de fácil manutenção, quando comparado aos medidores existentes atualmente no mercado.
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    Avaliação da estabilidade dimensional de ferramentas de hidroconformação fabricadas por manufatura aditiva
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-03-07) Massa, Renan Cesar; Foschini, Cesar Renato [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O presente trabalho avalia a estabilidade dimensional de ferramentas de hidroconformação fabricadas por Manufatura Aditiva (MA). Há evidências que a tecnologia de hidroconformação surgiu no final da década de 50, é classificado como um processo de estampagem e é bastante utilizado em setores da indústria como o setor bélico, automobilístico, aeronáutico e de fabricação de quadros de bicicleta. Este trabalho propõe substituir o processo convencional de fabricação das ferramentas de conformação, que é a partir de conceitos subtrativos de manufatura (usinagem), por um conceito de manufatura atualmente ascendente no mercado industrial, que é a Manufatura Aditiva. Entre todas as tecnologias aditivas aplicáveis e disponíveis, a que é empregada na proposta deste estudo é a tecnologia aditiva por extrusão de material, também conhecida como FDM (Modelagem por Fusão e Deposição) ou FFF (Fabricação por Filamento Fundido). Para validação da proposta é necessário que o desempenho mecânico da ferramenta fabricada por MA seja satisfatório tanto quanto o desempenho mecânico da ferramenta fabricada pelo processo convencional, logo, para esta avaliação objetiva a fabricação, simulação (MEF), medição tridimensional e ensaio de dois corpos de provas similares às ferramentas de hidroconformação. Um corpo de prova manteve as características convencionais de fabricação (processo de manufatura e material) e um segundo foi fabricado pelo conceito aditivo e material termoplástico. Em relação aos materiais utilizados para a fabricação dos corpos de prova, respectivamente para o método convencional e aditivo foram: liga de alumínio (AA 7050-T7 451) e liga polimérica (ULTEM 9085) com base no polímero termoplástico poli(éter-imida) (PEI). Características como anisotropia e porosidade também foram avaliadas e discutidas para ambos corpos de provas. Considerando as características mecânicas da liga polimérica utilizada, o corpo de prova fabricado em ULTEM 9085, após a fase de ensaios com mais de 950 ciclos a valores de carga próximos de 40 MPa, apresentou satisfatório desempenho mecânico e baixas deformações (máxima de 0.17 mm). Os valores máximos de deformação apresentados ficaram dentro da tolerância de 0.3 mm utilizada no estudo, desta forma a estabilidade dimensional do corpo de prova em ULTEM 9085 foi validada a partir do bom desempenho apresentado na fase de ensaio utilizando o processo de hidroconformação com diafragma de borracha.
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    Monitoramento e processamento de sinais no processo a laser de cerâmicas avançadas
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-12-06) Andrade, Ana Carolina Balarin de; Aguiar, Paulo Roberto de [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Este trabalho propõe uma nova técnica de monitoramento na usinagem a laser de cerâmicas avançadas. As cerâmicas avançadas possuem dentre as suas principais propriedades mecânicas alta dureza e resistência, porém essas propriedades acabam dificultando a sua usinagem em métodos convencionais. Nesse sentido, a usinagem a laser é apresentada como uma alternativa aos métodos convencionais, além de permitir uma usinagem mais precisa. Assim sendo, são necessários sistemas de monitoramento em tempo real para otimizar a usinagem a laser em cerâmicas e este trabalho propõe um novo método para o monitoramento do processo de marcação a laser em uma peça de alumina usando um transdutor piezoelétrico de baixo custo e processamento digital de sinais. No decorrer do trabalho, foram realizados testes considerando variáveis que influenciam diretamente na usinagem a laser, como a potência e a velocidade de varredura do laser. Os resultados do processamento digital mostraram uma correlação bastante satisfatória com as condições de usinagem utilizadas, no qual os sinais apresentaram uma maior atividade acústica em marcações que ocorreram mais ablação e danos, enquanto que a atividade acústica foi menor em marcações com menos danos e ablação. Por meio dos resultados foi possível também demonstrar que há uma boa sensibilidade à atividade acústica do transdutor piezoelétrico de baixo custo, o que permite o seu uso com eficiência no monitoramento do processo de marcação a laser de alumina.
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    Estudo numérico da transferência de calor por convecção natural entre duas superfícies isotérmicas inclinadas e onduladas
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-03-11) Gazotto, Igor Caetano; Oliveira, Santiago del Rio [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Este projeto de pesquisa consiste na análise numérica da transferência de calor por convecção natural convectiva através de duas superfícies inclinadas, contendo ondulações em ambos lados. A distância de separação entre as superfícies é variável e relativamente pequena, de forma que o fluxo ocorrido nas superfícies influencie as taxas de transferência de calor de cada placa analisada. As ondulações consideradas neste trabalho têm formato retangular, com altura variável, submetendo-se ao efeito do aumento da taxa de transferência de calor através de um fluido adjacente, neste caso, ar ambiente. O objetivo principal deste projeto consiste em determinar a taxa de transferência de calor por convecção natural de cada uma das placas com ondulações superficiais, através da alteração do ângulo de inclinação, distância entre as superfícies e o número de Rayleigh. Os resultados foram obtidos numericamente por meio do uso do modelo de turbulência k−ε com o auxílio do software comercial ANSYS FLUENT©. A partir dos resultados obtidos, recomendam-se geometrias que apresentam as melhores correlações de aumento da transferência de calor convectiva para esta situação com duas placas inclinadas em estudo, além do encontro de equações matemáticas por meio do método de regressão linear multivariável, que devem descrever de forma satisfatória o comportamento das intensidades observadas.
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    Avaliação dos fluidos de corte classificados pelo ponto de Leidenfrost durante o torneamento do aço SAE 52100
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-10) Gonçalves, Daniel da Motta; Sanchez, Luiz Eduardo de Angelo [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Introdução: Fluidos de corte são amplamente aplicados pelo método convencional com a finalidade de lubri-refrigerar a interface cavaco-ferramenta, onde a transferência de calor ocorre por convecção forçada em baixa pressão. Logo, a menor capacidade refrigerante deste método em relação aos demais provavelmente ocorre devido ao efeito Leidenfrost, responsável pela formação de uma película de vapor, que impede o contato entre o fluido e a superfície aquecida. Embora o efeito Leidenfrost seja amplamente estudado em diversas aplicações, no qual o rápido resfriamento é necessário, existe a carência de trabalhos que estudem a influência deste efeito na usinagem dos materiais. Objetivo: Diante do exposto, o presente trabalho tem o objetivo avaliar, durante o torneamento do aço SAE 52100 recozido e esferoidizado, o efeito lubri-refrigerante dos fluidos de corte previamente classificados pelo ponto de Leidenfrost. Métodos: Para tanto, corpos de prova foram torneados com parâmetros de corte constantes e submetidos a lubri-refrigeração convencional por tipos de fluidos de corte variados em Emulsões, fluidos Sintéticos e Semissintéticos, aplicados em três concentrações diferentes para cada tipo. Os resultados da temperatura de usinagem, desgaste da ferramenta de corte e da integridade superficial das amostras foram analisados e relacionados com a Temperatura de Leidenfrost (TLF) dos respectivos fluidos de corte. Resultados: Como resultado geral, os fluidos Sintéticos apresentaram maior capacidade de refrigeração, seguido pelos Semissintéticos e Emulsões. Entretanto, o fluido Semissintético em concentração de 1,25% resultou na menor temperatura de usinagem com redução 37,9% em relação a Emulsão 2,5% que resultou na maior temperatura. As Emulsões resultaram em menor desgaste da ferramenta de corte, seguido pelos fluidos Semissintéticos e Sintéticos. Ambas as Emulsões a 5% e 10% reduziram em 38,8% o desgaste em relação ao fluido Sintético a 4%, que resultou no maior desgaste. Ao comparar diferentes tipos de fluidos com mesma TLF, a temperatura de usinagem apresentou diferença de 10% a 15% nos resultados, e o desgaste apresentou diferença 25% a 62% nos resultados. A análise por tipo de fluido mostrou que apenas para fluidos Semissintéticos, quanto maior a TLF, menor a temperatura de usinagem. Com relação ao desgaste da ferramenta, para Emulsões e fluidos Sintéticos, quanto maior a TLF, maior o desgaste. As Emulsões a 5% e 10% e o fluido Sintético a 10% resultaram na menor rugosidade, com redução de 17%. A análise microestrutural e de microdureza mostraram ausência de alterações em decorrência do uso dos diferentes fluídos de corte. Conclusões: Para as condições de usinagem empregadas neste trabalho, todos os fluidos são capazes de remover calor da interface e evitam significativas alterações microestruturais no material usinado. Devido a diferença de condutividade térmica dos fluidos, não há relação da TLF com a temperatura de usinagem para fluidos de mesma TLF. Dadas as diferentes propriedades tribológicas, também não há relação com o desgaste da ferramenta quando fluidos de mesma TLF são aplicados. Por fim, os resultados indicaram que fluidos de corte com maior TLF nem sempre promovem menor temperatura de usinagem e desgaste da ferramenta de corte.
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    Identificação da passada de um exoesqueleto utilizando algoritmo de classificação não supervisionado k-means
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-12-20) Oliveira, Carlos Eduardo de; Silveira, Marcos [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O objetivo deste trabalho é estudar o comportamento cinemático de um modelo de exoesqueleto de membros inferiores, a fim de identificar padrões de passada utilizando métricas biomecânicas quantitativas. As ferramentas para identificação dos padrões de passada bem como alterações dos padrões provocada por doenças crônicas como diabetes ou uma lesão causada por trauma, só podem ser diagnóstica com uso de sistemas, como por exemplo, acelerometria, videogrametria e exoesqueleto. Este trabalho busca uma forma de identificar os padrões de passada com estrutura exoesqueleto de membros inferiores, principalmente através da identificação de quais variáveis cinemáticas e métricas biomecânicas são mais relevantes nesta identificação. Neste trabalho especificamente, as análises foram realizadas com 18 métricas a partir de variações paramétricas de comprimento de fêmur e tíbia e combinações de trajetória de pé e pelve. Os resultados mostraram que o algoritmo não supervisionado k-means é capaz de realizar identificação precisa, até 100% em alguns casos, desde que uma boa seleção das métricas seja feita. Métodos de redução de dimensão e de seleção de atributos foram utilizados e comparados para realizar esta seleção. Em geral, as métricas relacionadas a trajetória do joelho foram as mais bem-sucedidas na previsão de padrões de passada.