Teses - Engenharia Mecânica - FEIS

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  • ItemTese de doutorado
    Influence of control surface freeplay on limit cycle oscillations in aeroelastic systems
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-08-31) Wayhs-Lopes, Larissa Drews; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]
    Aeroelasticidade não-linear é um campo de importância atual e a análise de estabilidade é parte dos requisitos para certificar aeronaves. Especificamente, folga geométrica é uma não-linearidade descontínua comumente observadas nas conexões de superfícies de controle, e pode alterar a estabilidade do sistema gerando oscilações de ciclo limite (LCOs), tipicamente prejudiciais à estrutura, inclusive em termos de fadiga. O presente trabalho é focado na importante etapa de previsão da LCO. Isso envolve prever a amplitude e a frequência do movimento para condições de voo específicas. O foco principal desta pesquisa é aprimorar métodos numéricos convencionais para superar as dificuldades geradas pela descontinuidade da folga. As principais contribuições incluem melhorias na técnica de Hénon para soluções no tempo e, no domínio da frequência, uma nova forma combinar funções descritivas com a análise de autovalores de um sistema aeroelástico equivalente. Uma formulação geral na forma de matriz é proposta para a técnica de Hénon, permitindo a inclusão de diferentes não-linearidades descontínuas,em qualquer grau de liberdade arbitrário. Duas aplicações físicas são apresentadas, uma envolvendo um aerofólio de três graus de liberdade com folga assimétrica e atrito na conexão da superfície de controle; e também um aerofólio com quatro graus é investigado com folga em duas conexões de superfícies de controle do bordo de fuga. Esta formulação também permite usar a técnica como um método de localização de eventos, e é utilizada neste trabalho para capturar pontos extremos durante a integração de tempo, tipicamente útil para detectar LCO, construir diagramas de bifurcação, e também as seções de Poincarè. Além disso, duas novas funções descritivas são propostas, sendo uma para prever o primeiro e terceiro harmônicos de um sistema com folga, e a outra para considerar folga e atrito na conexão da superfície de controle. Resultados teóricos demonstram que as estratégias propostas contribuem para investigar sistemas aeroelásticos com não-linearidade descontínua.
  • ItemTese de doutorado
    Caracterização experimental do desempenho térmico e fluidodinâmico de dissipadores de calor microaletados durante a ebulição convectiva
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-04-28) Nunes, Jessica Martha; Cardoso, Elaine Maria [UNESP]; Oliveira, Jeferson Diehl de; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A demanda crescente de dispositivos eletrônicos de alta capacidade de processamento, com dimensões cada vez menores, vem exigindo da comunidade científica soluções para dissipar as altas taxas de calor geradas em tais dispositivos, garantindo sua integridade e funcionamento. Com isso, pesquisas envolvendo aplicações de mudança de fase em dissipadores de calor compactos, baseados em microcanais, e suas versões melhoradas, como micropilares, vêm ganhando espaço nos últimos anos, principalmente associados com o uso de fluidos de trabalho ecologicamente corretos. Neste contexto, o presente trabalho analisa o comportamento térmico e fluidodinâmico da ebulição convectiva usando HFE-7100 como fluido de trabalho, em um dissipador de calor baseado em microaletas quadradas, fabricadas por meio de microfresamento, sobre uma superfície de cobre eletrolítico. São propostos diferentes arranjos geométricos de microaletas (com alturas de 160 e 350 µm), alinhado e escalonado, testados em três velocidades mássicas diferentes (800, 1000 e 1200 kg/m²s) e dois níveis de subresfriamento do fluido na entrada do dissipador (10 e 20 °C), em relação à temperatura de saturação à pressão de entrada do sistema. Assim, é realizada uma análise do desempenho térmico (por meio das curvas de ebulição e Coeficiente de Transferência de Calor, CTC) e fluidodinâmico (por meio da perda de pressão) do dissipador de calor durante a ebulição convectiva. Os resultados mostraram que as superfícies com arranjo escalonado apresentam melhor desempenho térmico em relação ao arranjo alinhado, mesmo sofrendo menor influência dos efeitos da mudança de fase sobre a troca térmica. Um menor subresfriamento do fluido na entrada do dissipador de calor, por sua vez, favorece o ganho no CTC devido aos efeitos dos mecanismos de transferência de calor da ebulição nucleada, principalmente para amostra com menor altura das microaletas (para baixos fluxos de calor) devido ao efeito de confinamento das bolhas de vapor; porém, observa-se o fenômeno de secagem da superfície em fluxos de calor bem mais baixos, quando comparados ao maior subresfriamento. Por fim, quanto aos aspectos fluidodinâmicos, a presença de vapor sobre a superfície faz a queda de pressão aumentar exponencialmente na região bifásica, sendo mais significativo para a superfície com menor altura de microaleta; observa-se que o arranjo escalonado favorece uma transição mais gradual para o regime bifásico, suavizando a queda de pressão, efeito esse caracterizado pela maior estabilidade fluidodinâmica neste arranjo de microaletas.
  • ItemTese de doutorado
    Sensitivity analysis and optimization of centrifugal compressors train working with supercritical co2
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-06-16) Gasparin, Elóy Esteves; Salviano, Leandro Oliveira; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A crescente importância da indústria de captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS) devido ao aquecimento global tem demandado novas tecnologias de equipamentos. Entre os mais relevantes, nota-se o ciclo de potência de Brayton que reporta aumento na eficiência térmica de seu sistema ao utilizar o CO2 em estado supercrítico devido ao menor trabalho de compressão quando comparado ao ar. Além desse, sistemas de armazenamento de energia que utilizavam ar comprimido também demonstraram melhora em seu desempenho ao trabalhar com CO2. Sendo assim, a tecnologia de CCUS com maior viabilidade econômica devido ao seu produto final de alto valor agregado é o processo conhecido como Enhanced Oil Recovery (EOR), que utiliza um trem de compressores centrífugos para realizar o armazenamento de CO2 supercrítico em poços de extração de petróleo, e que foi objeto de estudo do presente trabalho. Normalmente, a abordagem utilizada em um projeto de sistema de compressão é simplesmente investigada por aspectos termodinâmicos, sem considerar fenômenos fluidodinâmicos que podem inviabilizar o sistema como um todo. Portanto, a metodologia desenvolvida nesta tese é composta por um modelo de compressor centrífugo de CO2 supercrítico e difusor sem palhetas unidimensional (1D), capaz de prever alguns aspectos do escoamento do fluido que não são modelados por meio de análise termodinâmica direta, seguido por uma Análise de Sensibilidade (SA) e estratégia de otimização. Posteriormente, a modelagem individual de dois compressores utilizando Computational Fluid Dynamics (CFD) fez-se necessária para corroboração dos resultados anteriores e para entregar melhorias adicionais aos equipamentos a partir da meta-modelagem por superfície de resposta (RS) destes modelos computacionalmente custosos e realização de otimização indireta. Associada a estratégia de otimização, uma restrição chamada Gas Behaviour Margin (GBM) é proposta para evitar grandes variações das propriedades termodinâmicas no processo de compressão próximo à linha de Widom, o que pode dificultar a convergência do modelo numérico (por CFD) ou ainda causar danos ao equipamento durante seu processo de operação. Os principais resultados da obtidos a partir da metodologia descrita neste trabalho mostram que o trem de compressores centrífugos com quatro estágios considerado no processo de otimização teve sua potência total reduzida em 14,09% quando comparado à configuração inicial, e garantindo uma configuração de compressores viável, já que as restrições: Margem de Aceleração para Condensação (AMC), GBM e o número de Mach na garganta foram atendidas. Além disso, a solução do modelo CFD para o quarto compressor demonstrou boa concordância com a modelagem 1D e dados experimentais, corroborando a validade e robustez da metodologia aqui desenvolvida. Além disso, esta abordagem é considerada como uma maneira rápida e de baixo custo para obter uma geometria preliminar para sistemas de trem de compressores centrífugos. Finalmente, os modelos CFD do primeiro e quarto estágios de compressão foram submetidos a estratégia de SA e otimização, aumentando ainda mais a eficiência politrópica destes dois estágios, essa modelagem permitiu a análise fenomenológica baseada em variação entrópica que foi conduzida para o processo de avaliação fluidodinâmica do escoamento dentro dos compressores centrífugos A estratégia aqui adotada pode ser aplicada a outros modelos de CFD considerados grandes e altamente dimensionais para reduzir o custo computacional do procedimento de otimização e acelerar a análise fenomenológica do escoamento.
  • ItemTese de doutorado
    Controle híbrido H∞ e AMR em edifício de estruturas metálicas sujeito a vibrações excessivas causadas pela ação dinâmica do vento e do terremoto
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-06-15) Silva, Michael Dowglas de Gois; Chavarette, Fábio Roberto [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    As cargas dinâmicas dos terremotos e dos ventos podem destruir vidas, causar colapso nas estruturas civis e interromper serviços básicos prestados à população. Neste cenário, os projetos estruturais devem ser desenvolvidos para diminuir os danos induzidos por essas ações. O objetivo deste trabalho é projetar um controlador híbrido baseado na otimização Hinf via realimentação de estados e no amortecedor magneto reológico (AMR), para mitigar as vibrações excessivas de um edifício em estruturas metálicas de três pavimentos, representado através do modelo shear building, submetido a ação dinâmica do vento, do sismo e a ação simultânea das duas. Na análise numérica são utilizados o computador e o software MATLAB, onde códigos implementados geram os resultados esperados baseados na modelação matemática. É feita uma análise qualitativa e quantitativa dos dados, com gráficos do histórico no tempo e plano de fase para os estados do sistema. Com a aplicação da técnica de controle Hinf via realimentação de estados, os deslocamentos reduziram cerca de 75%. Já com o AMR essa redução foi de 78%. Com a aplicação em conjunto das duas técnicas de controle, essa redução foi de 100% nas três situações analisadas no trabalho. Com isso, as verificações em relação aos deslocamentos máximos, foram atendidas para a NBR 15421:2006, NBR 8800:2008 e NBR 6118:2014. A partir dos resultados, conclui-se que o controlador híbrido se mostrou eficiente e atingiu o objetivo proposto. As entradas exógenas no sistema tiveram influência nula no comportamento da saída do sistema.
  • ItemTese de doutorado
    Desenvolvimento de lubrificantes verdes: adição de nanopartículas a óleos vegetais e estudo dos desempenhos
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-23) Silva, Erickson Fabiano Moura Sousa; Gonçalves, Aparecido Carlos [UNESP]; Silva, Anielle Christine Almeida; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O atrito resulta do movimento entre superfícies, sendo mitigado por lubrificantes que protegem contra desgaste e superaquecimento. Os óleos de base vegetal são alternativas mais sustentáveis em relação aos derivados de petróleo, impulsionando pesquisas na área. A incorporação de nanopartículas como aditivos pode possibilitar o desenvolvimento desses lubrificantes ainda mais eficientes. Com o objetivo de investigar a influência da aditivação de três diferentes tipos de partículas de óxido de zinco (ZnO) no desempenho de três lubrificantes, Andiroba (A), Copaíba (C) e PNL30 (P), o trabalho constituiu-se na realização de ensaios do tipo esfera-sobre-plano, a fim de analisar as respostas tribológicas, comportamento de atrito e desgaste resultantes do deslizamento de amostras metálicas em sistemas com esses lubrificantes. Ademais, foram utilizadas técnicas de índice de partículas ferrosas (PQI), espectrometria por emissão a plasma e ferrografia analítica para avaliação. Os lubrificantes puros de base vegetal (andiroba e copaíba) demonstraram resultados promissores, apresentando similaridade com o lubrificante mineral (PNL30). Não houve constatação de diferenças significativas entre eles, indicando uma equivalência em seu desempenho. Não foram encontradas diferenças significativas entre as diferentes concentrações dos aditivos, o que sugere que a utilização de concentrações mais baixas pode ser uma opção viável para reduzir os custos. A adição de nanopartículas de óxido de zinco não apresentou diferença significativa. Ressalta-se que a avaliação visual dos dados pode fornecer informações iniciais sobre tendências e padrões, porém, é necessário realizar análises mais robustas para obter conclusões confiáveis em relação às hipóteses testadas. Em suma, uma redução na resposta não necessariamente indica uma diferença entre os lubrificantes.
  • ItemTese de doutorado
    Investigation of ground surface vibration to locate leaks in buried water pipes
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-03-21) Iwanaga, Mauricio Kiotsune; Brennan, Michael John [UNESP]; Almeida, Fabrício César Lobato [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O risco de escassez de água tem aumentado em muitas regiões do mundo. Uma vez que os vazamentos representam uma grande quantidade de desperdício, os setores de abastecimento dependem das tecnologias de localização de vazamentos. Uma situação comum encontrada na prática é quando uma tubulação enterrada não é acessível. Neste caso, são recomendadas as tecnologias que não requerem qualquer acesso. Entretanto, existem apenas algumas delas com desempenho muito limitado. Muitas pesquisas têm sido realizadas nos últimos anos, com foco na localização de objetos enterrados usando medidas de vibração da superfície do solo, devido às ondas que se propagam nele. Elas são consideradas soluções potenciais para as tecnologias de localização de vazamentos, já que o primeiro passo geralmente é localizar a tubulação. Além disso, algumas pesquisas também foram realizadas para localizar vazamentos sem conhecimento prévio do local onde a tubulação está enterrada. Embora sejam promissoras, a aplicação prática de tais técnicas pode ser bastante complicada e custosa, já que normalmente elas requerem uma estimativa da velocidade de onda no solo e um conjunto de sensores montados na superfície. A principal motivação para esta tese é apresentar uma técnica de localização de vazamento baseada em medições de vibração da superfície do solo, que não requer uma estimativa da velocidade de onda no solo, robusta à interferência do ruído de fundo, e com uma configuração simples. Para isso, o fenômeno de propagação de ondas no solo devido a um tubo enterrado com vazamento é introduzido através de um modelo analítico, cujos resultados são validados a partir de um modelo numérico e um experimento. As técnicas de localização são então apresentadas com base no contexto físico fornecido pelo modelo analítico. A técnica proposta, denominada técnica de dois sensores, é baseada na fase medida por um par de sensores móvel em diferentes posições na superfície do solo. A técnica usada como base de comparação, denominada técnica de um sensor, é baseada na diferença de amplitude medida por um único sensor móvel em diferentes posições na superfície do solo. A aplicação delas é ilustrada com os modelos analítico e numérico, e seus desempenhos são avaliados na prática com dados experimentais adquiridos em campos de testes. As contribuições da pesquisa são destacadas pelos resultados experimentais, nos quais a técnica de dois sensores pode localizar a tubulação para distâncias maiores em relação ao vazamento, e é mais robusta à interferência de fontes externas de ruído em relação à técnica de um sensor.
  • ItemTese de doutorado
    Diagnóstico e análise de falhas em máquinas rotativas através do agoritmo de seleção negativa com aprendizagem contínua
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-01-30) Lourenço, Rodrigo Francisco Borges; Chavarette, Fabio Roberto [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Com processos produtivos cada vez mais otimizados e eficientes, máquinas e equipamentos rotativos são indispensáveis na maioria dos projetos mecânicos. Eles são responsáveis pelo fornecimento e transferência de forças das plantas industriais, e sua disponibilidade influencia diretamente na produtividade, lucratividade e segurança dos funcionários. A falha nesse tipo de equipamento provoca variações nos parâmetros espaciais da estrutura e modifica seu comportamento dinâmico através da variação da rigidez, massa e amortecimento. Os sistemas de monitoramento de integridade estrutural, do inglês, Structural Health Monitoring (SHM), através da utilização de ferramentas tecnológicas avançadas, como: sensores e técnicas inteligentes, lógica fuzzy e sistemas imunológicos artificiais, são capazes de identificar danos em seu estágio inicial, mensurar a gravidade do problema e otimizar os procedimentos para solução do mesmo. O objetivo dessa pesquisa é o projeto e desenvolvimento de um SHM baseado em técnicas de computação inteligente, através um algoritmo de sistemas imunológicos artificiais com seleção negativa e aprendizado continuado, capaz de detectar, classificar e quantificar falhas estruturais em sistemas dinâmicos rotativos. Verificou-se o desempenho do algoritmo de seleção negativa (ASN) de forma isolada, que apresentou bons resultados quando os danos eram conhecidos e constavam no banco de detectores. Quando esses dados não constavam no banco de dados, o algoritmo foi incapaz de reconhece-los, justificando-se a integração do algoritmo de seleção clonal (CLONALG) ao algoritmo de seleção negativa (ASN) que, nesse caso, foi capaz de identificar os danos com eficiência e robustez.
  • ItemTese de doutorado
    Dynamic and vibration analysis of a quadrotor type with a payload: insights for aerial medical product transportation
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2023-02-13) Geronel, Renan Sanches; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have gained rapid attention as a potential solution to overcome geographical and logistic challenges in different areas. In particular for medical and hospital products transportation, UAVs are used to assist health care services in the delivery of medical goods, including organs, vaccines and blood samples. However, some of these products are sensitive to vibration, which can decrease the therapeutic efficacy of the transported payload. Then, this thesis investigates the vibration characteristics of a payload carried by a quadrotor. A commercial UAV is used to evaluate the effect of the payload dynamics on the flight, by considering different attachment configurations. The results have shown an amplification of the quadrotor acceleration, highlighting the importance of controlling these vibrating effects. Regarding the dynamic models, a vertical vibrating payload is initially investigated, by assessing two different control strategies (quasi-open and closed loops). The combination of elastic attachment and suspended payload have been assessed. The Adaptive Sliding Mode Control have been designed to compensate the payload effects on the UAV dynamics. Therefore, oscillations caused by an attached mass, external disturbances and different dynamic configurations have become and important topic in UAV medical transportation. Low payload oscillations may guarantee a rapid spread and use of commercial UAVs for medical products delivery, with a high transportation reliability.
  • ItemTese de doutorado
    Aplicação da álgebra geométrica na hidrodinâmica
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-12-19) Belançon, Emerson Dionísio; Silva, Samuel da [UNESP]; Maciel, Geraldo de Freitas [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Na resolução de problemas envolvendo a dinâmica de fluidos é comum aparecer singularidades. Tais singularidades podem ser impulsionadas pelo movimento da fronteira em conjunto com a viscosidade do fluido ou singularidades de superfície livre associadas à tensão superficial e viscosidade ou ainda singularidades de pontos interiores da vorticidade associadas ao intenso alongamento do vórtice. Diante disto, alguns métodos são utilizados para tentar contornar esta situação uma vez que as singularidades dificultam uma boa aproximação para a solução das equações de movimento. Alguns métodos são, os Quatérnions, Simetria de Lie ou aproximações numéricas como elementos finitos os quais permitem ajustar a solução. No final do século XIX, William Kingdon Clifford desenvolveu uma estrutura matemática conhecida como Álgebra Geométrica de Clifford ou simplesmente Álgebra Geométrica. Esta estrutura matemática não se baseia em conceito de vetores mas em subespaços capaz de gerar objetos matemáticos de dimensões variadas, conhecidos como multivetores. A estrutura dessa álgebra generaliza e integra naturalmente conceitos, como matrizes, coordenadas de Plücker, números complexos, quatérnions, álgebra de Lie. Assim, este trabalho propõe uma maneira simples para compactar as equações usadas para descrever o escoamento de um fluido ideal e incompressível em uma única equação utilizando a estrutura da álgebra geométrica. Depois da compactação, resolver dois problemas clássicos da hidrodinâmica: o escoamento bidimensional em torno de um cilindro circular. O primeiro é manter o cilindro fixo e o segundo é acrescentar um vórtice simples no centro do cilindro. O primeiro problema será resolvido de duas formas diferentes: a primeira é aplicar um método semelhante a segunda fórmula (ou identidade) de Green, a qual é uma das ferramentas fundamentais no desenvolvimento deste trabalho. A segunda é compactar as equação clássicas da hidrodinâmica com a estrutura da álgebra geométrica e utilizar as funções de Green para resolver essa equação. O segundo problema será resolvido utilizando a compactação das equações clássicas que é o método proposto neste trabalho.
  • ItemTese de doutorado
    Desenvolvimento de uma prótese discal para animais domésticos
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-11-21) Santos, Marcelo Augusto Rozan dos; Tokimatsu, Ruís Camargo [UNESP]; Treichel, Tiago Luís Eilers; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Atualmente, a população de cães, gatos, aves e outros animais de estimação, tem aumentado consideravelmente no Brasil. Segundo a Associação Brasileira da Indústria de Produtos para Animais de Estimação, o Brasil tem a segunda maior população de cães além de ser o terceiro maior país no mundo em população de animais de estimação. Diante desta grande demanda, a economia no setor de animais domésticos, representa 0,36% do PIB brasileiro, à frente de setores como automação industrial e utilidades doméstica. Desta forma, é importante ter mais atenção e estudos no desenvolvimento de produtos para atender este nicho de mercado. Muitos animais têm sofrido com patologias diversas como por exemplo a doença do disco intervertebral que submete os animais a paralisia dos membros ou até mesmo levando-os ao sacrifício. A coluna vertebral é responsável por toda estrutura funcional do corpo, ela auxilia no equilíbrio e na postura ereta, como também é um dos seguimentos mais complexos do corpo. Buscando estudos nos tratamentos já existente e nos procedimentos cirúrgicos que são aplicados na área da medicina, desenvolver um projeto nesta área da medicina veterinária, seria uma forma de proporcionar aos animais domésticos um conforto e uma condição melhor de vida. O objetivo desta tese é fazer um estudo mais profundo sobre a anatomia da coluna vertebral humana e animal, compreender como funciona os movimentos das vértebras, entender como são suas classificações e como ela exerce sua função no corpo humano e animal. Pesquisar também quais são os tipos de patologias que levam os discos vertebrais a terem desgastes e quais os tipos de soluções existentes atualmente para auxiliar na artrodese. Como método, foram utilizadas as tecnologias Engenharia Reversa, que através de um exame tomográfico, conseguiu extrair um biomodelo virtual tridimensional da coluna de um paciente e a tecnologia Manufatura Aditiva, possibilitou imprimir os biomodelos físicos, amostras e corpos de prova para os estudos e ensaios físicos. O resultado foi a criação de uma prótese de substituição total de disco intervertebral para animais domésticos utilizando a impressora 3D, permitindo a descompressão entre as vértebras adjacentes e assim, manter as articulações necessárias que um disco intervertebral exerce, sabendo-se que o resultado de rejeição dos polímeros no corpo animal, não apresentaram inflamação ou qualquer outro tipo de patologia e sim resultados positivos como o crescimento de tecidos nas amostras. Este trabalho conclui que é possível desenvolver diversos outros trabalhos na área da medicina veterinária utilizando a impressora 3D. Abre novas portas para outras pesquisas e suas diversas aplicabilidade utilizando esta técnica de manufatura aditiva.
  • ItemTese de doutorado
    Damage quantification using Polynomial Chaos-Kriging
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-06-24) Pavlack, Bruna Silveira; Silva, Samuel da [UNESP]; Cunha Jr., Americo Barbosa da; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Cada vez mais a sociedade almeja pela geração de energia limpa e acessível. Uma alternativa para isso é a energia proveniente dos ventos, a energia eólica. Neste sentido, há um aumento no número de parques eólicos e, consequentemente, um aumento no número de aerogeradores em operação. Devido ao fato dos aerogeradores serem estruturas grandes, sua inspeção visual pode apresentar grandes riscos à vida humana. Neste cenário, é muito importante o desenvolvimento de metodologias de Monitoramento da Saúde Estrutural em aerogeradores, com o intuito de detectar e quantificar danos, e consequentemente evitar falhas e acidentes. Neste trabalho é apresentada uma metodologia de Monitoramento da Saúde Estrutural, baseada em vibração orientada por dados, para quantificação de danos utilizando um metamodelo obtido a partir do método Polinômio do Caos-Krigagem. A investigação busca quantificar a severidade do dano, descrito por um tipo específico de descolamento em uma pá de turbina eólica de compósito, em função de um índice de dano, levando-se em consideração as incertezas. A pá foi instrumentada com dez acelerômetros na borda superior, dez acelerômetros na borda inferior e um atuador eletromecânico, o qual gera o impacto na estrutura. O metamodelo obtido demonstra ser capaz de capturar a tendência que relaciona os índices de dano e o tamanho do dano nos pontos simulados. Posteriormente, é realizada a análise de sensibilidade global para identificar a influência de cada acelerômetro em um índice de dano global. O método de análise de sensibilidade utilizado é os índices de Sobol. Os resultados obtidos dos índices de Sobol são satisfatórios, pois demonstram que os sensores localizados no caminho do dano possuem maior sensibilidade e influência no índice de dano global. Estudos dessa natureza são fundamentais, pois possibilitam otimizar a localização dos sensores para melhor detecção de danos e contribuir para a redução de custos. Por fim, também é proposta uma metodologia para detecção de danos na pá, por meio de um intervalo de confiança de 95% de um modelo Krigagem obtido a partir da função de transmissibilidade entre dois sensores, na condição saudável. As probabilidades de detecção obtidas para as condições de dano foram satisfatórias.
  • ItemTese de doutorado
    On the mechanics of intracranial aneurysms walls: numerical assessment of the influence of tissue hyperelastic laws and heterogeneity and the major role played by curvature on pathways to rupture
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-06-20) Oliveira, Iago Lessa; Gasche, José Luiz [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Intracranial aneurysms (IAs) are abnormalities formed in the cerebral arteries characterized by outpouching regions of their walls. The danger with these lesions occurs if they rupture, which causes intracranial hemorrhage and possibly leads to the death of the patient, presenting a mortality rate as high as 50 %. The rupture event is hard to predict, though, and, currently, surgical treatments also pose risks to the patient. Numerical simulations of the blood flow inside IAs have been extensively used to study them because of the well-known connections between hemodynamics and their inception, growth, and rupture. Physically, although it should be modeled as a Fluid-Solid Interaction (FSI) problem, the majority of those works have solely focused on the hemodynamics while either ignoring the wall tissue motion entirely, through rigid-wall modeling, or using limited assumptions for it. One possible explanation is the scarcity of measurements of their wall mechanical properties and also its thickness, which limits the use of better modeling options. Consequently, few works have investigated the impact of tissue modeling on their mechanical response, an important endeavor to try to predict the likelihood of rupture, because it is a wall-exclusive event that theoretically depends on the level of stress. In this context, this work investigated the influence of different hyperelastic laws and the material properties and thickness heterogeneity on the wall mechanics of IAs, given their rupture status. Pulsatile numerical simulations with patient-specific vascular geometries harboring IAs were carried out using the one-way fluid-solid interaction solution strategy implemented in solids4foam, an extension of OpenFOAM®, in which the blood flow is solved and applied as the driving force of the wall motion. First, it was found that different wall morphology models yielded smaller absolute differences in the mechanical response than different hyperelastic laws. Second, the stretch levels of IAs walls were more sensitive to the hyperelastic laws and material constants than the stress, especially for ruptured IAs, allowing the identification of these by the higher stretch levels instead of stress levels. Additionally, the morphology variable that best correlated with regions of high stress and stretch was the wall curvature. Finally, these findings could be used to guide modeling decisions on IA simulations and also suggest new metrics based on the wall curvature to predict the likelihood of rupture.
  • ItemTese de doutorado
    Análise dos parâmetros de influência em célula combustível microbiana com cultura auxiliar de Lactobacillus Casei
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-03-30) Pereira, Luis Alberto Schwind Pedroso Stussi da Silva; Ramos, Ricardo Alan Verdú [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    As Células Combustíveis Microbianas têm mostrado versatilidade, simplicidade e boa eficiência de Coulomb na conversão bioeletroquímica da matéria orgânica, no entanto sua instabilidade biológica e sensibilidade ainda são problemas que restringem seu uso como fonte confiável de energia limpa e renovável. O presente trabalho apresenta vários estudos que visam a compreensão dos parâmetros que interferem no desempenho e estabilidade das Células Combustíveis Microbianas utilizando como cultura auxiliar Lactobacillus Casei com a finalidade de aumentar sua robustez e densidade de potência. Os resultados apontam para a melhora da extração de corrente, em relação aos encontrados nas literaturas pesquisadas, mostrando ser uma opção para o tratamento de resíduos de queijarias.
  • ItemTese de doutorado
    Intensificação da transferência de calor em ebulição em piscina por meio de superfícies nanoestruturadas hierarquicamente
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-18) Kiyomura, Igor Seicho; Cardoso, Elaine Maria [UNESP]; Ribatski, Gherhardt; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Uma forma promissora de aumentar o coeficiente de transferência de calor (CTC) e o fluxo de calor crítico (FCC) é modificar a morfologia da superfície de aquecimento usando técnicas de usinagem, revestimento e processos químicos. Superfícies microestrutura-das, ou seja, superfícies com a presença de micropilares fornecem pequenas perturbações no líquido, afetando a dinâmica das bolhas de vapor, aumentando a área da superfície de aquecimento e alterando o escoamento do fluido. Este trabalho teve como objetivo o estudo experimental da ebulição em piscina utilizando, como superfícies aquecedoras, superfícies de cobre modificadas por meio de técnicas de micro e nanofabricação. Os fluidos de trabalho utilizados foram a água deionizada ou HFE-7100 (ambos à pressão atmosférica e à temperatura de saturação). As matrizes quadradas de micropilares foram fabricadas em uma superfície plana de cobre por meio do processo de microusinagem. Microaletas quadradas de diferentes escalas de comprimento (isto é, altura e comprimento lateral) foram uniformemente espaçadas na superfície plana de cobre. As superfícies microaletadas intensificam o CTC em comparação com a superfície plana, sendo o número de aletas o principal fator para o aumento do CTC; se o número de aletas for constante, quanto maior a rugosidade efetiva, maior o desempenho de transferência de calor. Além disso, ocorre o aumento da capilaridade, a qual facilita o retorno do líquido para as regiões mais quentes (hot spots), postergando o fluxo de calor de secagem em comparação com a superfície plana. Para as superfícies nanoestruturadas hierarquicamente (combinação de superfícies microaletadas e nanoestruturação por meio da deposição de nanopartículas pelo processo de ebulição do nanofluido de alumina) e uso de HFE-7100 como fluido de trabalho, houve uma melhora no CTC de até 65% em comparação com as superfícies microaletadas. Tal melhora é devido ao aumento da densidade de sítios de nucleação e à dinâmica das bolhas de vapor. A deposição de nanopartículas em superfícies microaletadas aumenta a capacidade de absorção de líquidos, melhorando o remolhamento da superfície e postergando a ocorrência da secagem (maiores valores de fluxo de calor máximo).
  • ItemTese de doutorado
    Análise numérica em um modelo de aneurisma na bifurcação da aorta abdominal
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-03-04) Carvalho, Jeane Batista de; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    O Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA) é uma dilatação local e permanente da parede arterial resultante do enfraquecimento dessa parede que pode acarretar o rompimento do vaso e, consequentemente, a possível morte do indivíduo. Vários fatores mecânicos e hemodinâmicos podem ser importantes e têm encadeamento no desenvolvimento do aneurisma, na posição infrarrenal. A complexidade no estudo deste assunto envolve a identificação do tipo de escoamento, a composição do fluido e a estrutura da parede arterial. A combinação das análises numéricas e experimentais aprimora a precisão dos resultados, pois os resultados teóricos e experimentais são utilizados como condição de contorno inicial para a simulação numérica, tornando-a mais próxima do fenômeno real. Este trabalho pretende exportar os resultados numéricos para que seja possível combinar o comportamento do fluido Newtoniano e não Newtoniano, uma vez que os dois comportamentos não são modelados conjuntamente em softwares comerciais. Para melhor entendimento das propriedades dos escoamentos sanguíneos no interior de aneurismas, serão analisadas: velocidade, pressão e tensão cisalhante na parede. As equações governantes foram resolvidas recorrendo ao software de dinâmica de fluidos computacional Ansys® Fluent, sendo comparados os modelos Spalart-Allmaras (1 equação) e k-ε RNG (2 equações) para descrever a turbulência do escoamento. Para a parcela reológica do sangue foram comparados os modelos Carreau e Casson. Dentro dos modelos turbulentos e dos modelos reológicos utilizados, foi feita a comparação entre os modelos do mesmo fenômeno, e em seguida a seleção do modelo para a interação fluido estrutura (FSI), levando em conta o desempenho do modelo. O tempo gasto de simulação para o modelo Spalart-Allmaras foi expressivamente menor quando comparado com k-ε RNG, enquanto, que para os modelos reológicos, o tempo de processamento foi similar sendo difícil definir somente um dos modelos com base nisso. O modelo Carreau apresentou valores de viscosidade aparente com maior similaridade à faixa considerada normal, para todo instante de tempo simulado, enquanto o modelo Casson apresentou semelhança apenas nos picos de velocidade máxima. Devido os inúmeros fatores que podem influenciar a viscosidade, ambos os modelos reológicos foram selecionados para FSI. As propriedades analisadas para esses domínios foram: tensão de Von Mises, deformação normal estática de Von Mises e deslocamento da parede da artéria. Para a análise do AAA foi necessário a escolha de um fluido de trabalho que substituísse o sangue. Os fluidos propostos foram ensaiados em diferentes temperaturas (a 21, 25 e 37ºC) para aferir as propriedades reológicas, e aqueles que possuíssem propriedades físicas semelhantes às do sangue foram selecionados como fluido de trabalho. Para estudos futuros do escoamento através do AAA foi criado uma seção de teste transparente de resina epóxi para a visualização dos campos de velocidade e pressão. A intenção deste trabalho é fornecer mais informações mecânicas e hemodinâmicas para a equipe médica, auxiliando-os no diagnóstico e na decisão da intervenção cirúrgica em pacientes com esta doença.
  • ItemTese de doutorado
    Utilização de superfícies estendidas - espumas metálicas - para intensificação da transferência de calor por ebulição
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-12-10) Manetti, Leonardo Lachi; Cardoso, Elaine Maria [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    A evolução dos componentes eletrônicos tem resultado em componentes de alto de-sempenho e alta geração de calor. A técnica de ebulição em piscina com contato direto do flu-ido com o componente, resfriamento por imersão, é uma solução para a indústria eletrônica. Os fluidos dielétricos vêm ganhando destaque nas pesquisas, pois permitem a imersão dos dispo-sitivos sem risco de danos e também possuem baixa temperatura de saturação, mantendo o sistema abaixo da temperatura crítica. O uso de técnicas para tratar/modificar a superfície aquecida tem sido proposto para aumentar o desempenho da ebulição. Uma técnica adequada à indústria é o uso de espumas metálicas de estrutura aberta, que têm sido amplamente investi-gadas. Neste trabalho espumas metálicas de diferentes materiais, Cobre e Níquel, com diferen-tes características e espessuras foram primeiramente caracterizadas para determinação da sua porosidade, diâmetros de poro e fibra, densidade de poros, área superficial, permeabilidade e capilaridade. Em seguida, elas foram usadas como superfície aquecida durante a ebulição de dois fluidos dielétricos, HFE-7100 e Etanol, em condições de saturação à pressão atmosférica em dois laboratórios distintos. No geral, as espumas metálicas forneceram um maior coeficien-te de transferência de calor quando comparado com a superfície plana e também preveniram o superaquecimento inicial, tendo um início de nucleação antecipado. Para espessuras idênticas, a espuma de cobre apresentou melhor desempenho, pois há um balanço entre a condutividade térmica do material e a área de troca de calor. Quando houve a variação de espessura, consta-tou-se que a espessura ótima depende do fluxo de calor, sendo a maior espessura melhor para baixos fluxos e a menor espessura melhor para altos fluxos de calor, pois há um balanço entre o aumento de área e a resistência para a saída de vapor e consequente entrada de líquido no inte-rior da espuma. Quando comparado os diferentes fluidos, o Etanol apresentou melhor desem-penho que o HFE-7100 devido às suas melhores propriedades termofísicas, dentre elas o calor latente de vaporização, condutividade térmica e temperatura de saturação. Por fim, um mode-lo foi desenvolvido para predizer o coeficiente de transferência de calor e o fluxo máximo de calor em função das características da espuma metálica e do fluido de trabalho. O modelo prediz satisfatoriamente os nossos dados experimentais assim como os dados da literatura, sendo um bom guia para uso na indústria.
  • ItemTese de doutorado
    Controle de caos no modelo neuronal de Hindmarsh-Rose
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022-02-15) Lima, Raildo Santos de; Chavarette, Fábio Roberto [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Ao longo do tempo conceitos da Engenharia e da Matemática foram adaptados para permear campos de pesquisas interdisciplinares, surgindo por exemplo a Bioengenharia e Biomatemática como interface de estudo. Neste trabalho, estabelecido em caráter interdisciplinar, é investigado comportamentos do sistema neuronal de Hindmarsh-Rose, um modelo consagrado na literatura por ser altamente representativo aos comportamentos observados em neurônios biológicos. O estudo de estabilidade do modelo é feito através dos expoentes de Lyapunov e evidências de dinâmica caótica são encontradas. Este comportamento caótico é biologicamente comparado a um indivíduo sujeito à crise epilética ou convulsiva. É implementado um projeto de controle baseado na Equação de Riccati Dependente do Estado (SDRE) reduzindo a oscilação do sistema a uma órbita periódica verificado, assim, a eficiência do controlador. A robustez do controlador é verificada após considerados parâmetros incertos sobre o comportamento resultante do modelo neuronal. A originalidade deste trabalho se destaca, em fato inédito, na aplicação, verificação da eficiência e robustez do controlador proposto no modelo neuronal de Hindmarsh-Rose. Os resultados indicam um bom controle do comportamento indesejado, contribuindo como uma alternativa para o desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas à prevenção e tratamento da epilepsia.
  • ItemTese de doutorado
    Redução de vibrações e supressão de shimmy de trens de pouso por designação de modos via pseudo realimentação
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-07-16) Laporte, Daniel José; Bueno, Douglas Domingues [UNESP]; Lopes Júnior, Vicente [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Shimmy em trens de pouso é uma vibração autoexcitada e instável que deve ser evitada devido ao seu potencial catastrófico, gerando falhas estruturais ou mudança da trajetória de aeronaves durante pousos e decolagens. Além de atender diferentes requisitos de projeto, a especificação preliminar de um trem de pouso deve também implicar em dinâmica livre de shimmy. No entanto, comumente as equipes de engenharia precisam atualizar especificações iniciais, especialmente alterando distribuição de rigidez e amortecimento, para assegura o projeto de um sistema estável. Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma metodologia de projeto de trens de pouso baseada em designação de parâmetros modais. Em particular, a partir de uma especificação preliminar das propriedades mecânicas, a abordagem proposta permite calcular incrementos ou decrementos de rigidez e amortecimento locais do trem de pouso para se obter um modo de vibrar de interesse, além de frequência natural e fator de amortecimento, previamente especificados pelo analista. Assim, a estratégia permite redefinir propriedades mecânicas e, com isto, melhorar resposta vibratória e também tornar estável um trem de pouso em projeto. Os resultados demonstram que a metodologia é conveniente e prática para o projeto deste tipo de sistema.
  • ItemTese de doutorado
    New contributions in the analysis and identification of mechanical systems with hysteresis
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-07-31) Teloli, Rafael de Oliveira; Silva, Samuel da [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    As estruturas que exibem comportamento de histerese podem apresentar efeitos dinâmicos complexos que restringem a aplicação de técnicas convencionais de identificação. Entre os vários sistemas nos quais estes efeitos estão presentes, destacam-se as estruturas montadas por juntas parafusadas. Neste contexto, esta tese de doutorado apresenta novas contribuições na análise e identificação de sistemas mecânicos com histerese, tendo como foco estas estruturas. Primeiramente, é proposto um procedimento de suavização para ser aplicado em sistemas com histerese. Para um sistema equivalente composto por um operador não linear suave, o algoritmo de sondagem harmônica é então utilizado para obter as funções de resposta de frequência (FRF) de alta ordem computadas pela série de Volterra. Para ilustrar a aplicabilidade da abordagem proposta, um modelo Bouc- Wen é simulado através de um esquema de integração numérica. Com base no processo de suavização da força de restauração do oscilador Bouc-Wen, alguns aspectos sobre a aplicação do método de balanço harmônico para prever o comportamento de histerese de tal modelo também são abordados. Então, através da formulação analítica das FRFs de alta ordem, um procedimento de identificação formulado em uma estrutura de modelagem Bayesiana do tipo caixa branca é proposto para calibrar um modelo estocástico de Bouc- Wen para prever a dinâmica de uma estrutura montada por juntas parafusadas, nomeada como benchmark BoltEd strRucTure (BERT). A tese então propõe uma nova configuração de junção, a chamada viga de Orion, em que há parafusos dedicados a funções ‘‘estáticas’’, para garantir a integridade estrutural, e parafusos que realizam funções ‘‘amortecedoras’’, para aumentar a dissipação de energia devido ao contato friccional. Além disso, um oscilador de Duffing-Van der Pol é proposto para avaliar, através de seus parâmetros calibrados, o impacto de várias condições de torque de aperto e múltiplas amplitudes de excitação sobre a rigidez estrutural e amortecimento considerando o modo de vibração que promove uma deformação mais pronunciada ao redor da junção. Finalmente, a tese introduz o uso do modelo GP-NARX para aproximar a dinâmica de sistemas com histerese. Inicialmente, a aplicabilidade preditiva do modelo proposto é avaliada em um exemplo numérico envolvendo novamente o oscilador Bouc-Wen com amortecimento histérico. Em seguida, este trabalho propõe um modelo GP-NARX para descrever a dinâmica da BERT.
  • ItemTese de doutorado
    Caracterização dinâmica de elastômeros magneto-reológicos
    (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-03-02) Fukushima, Jeferson Camargo; Paschoalini, Amarildo Tabone [UNESP]; Universidade Estadual Paulista (Unesp)
    Elastômeros magneto reológicos (MRE) são materiais inteligentes cujo módulo de elasticidade ou performance mecânica podem ser moduladas por um campo magnético externo. Diversos grupos de pesquisa no exterior concentram esforços no estudo da fabricação, caracterização de desempenho, modelagem e aplicação dos MREs anisotrópicos ou isotrópicos. Contudo, no Brasil há ainda poucos grupos explorando a temática, gerando conhecimento e aproximando os resultados do setor produtivo. Esta tese teve como objetivos: (i) aprimorar a metodologia de preparação de um compósito tipo MRE com variações de, no mínimo, 50% em suas propriedades mecânicas devido a aplicação de campo magnético externo; (ii) aprimorar o aparato experimental de acoplamento entre o sistema de ensaios mecânico no modo dinâmico (com variação de frequência e ciclos de estímulo) e o sistema de geração de campo magnético, com vistas a aumentar a confiabilidade e reprodutividade dos resultados; (iii) desenvolver um sistema de geração de campo elétrico com intensidade variável, entre 0,1 e 0,5 Teslas, capaz de ser acoplado ao equipamento de ensaio mecânico. A princípio, os MREs foram produzidos utilizando o método de mistura mecânica a seco dos constituintes baseada em reações do estado sólido. Serão realizadas caracterizações físicas específicas para os MREs objetivando realizar um mapeamento mais preciso das características e potencialidade do material produzido. Com a realização do Projeto, espera-se contribuir significativamente para as áreas de engenharia mecânica e ciências dos materiais, bem como aproximar mais os materiais desenvolvidos a aplicação real em sistemas de absorção de vibrações, caracterizando os MREs no modo estático e dinâmico, modelando os resultados físicos e variando o campo magnético e a frequência.