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CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Os autores desse trabalho apresentam a aplicação de uma técnica experimental para a obtenção da difusividade e da condutividade térmicas em materiais sólidos e isotrópicos usando apenas uma única superfície de acesso. Inicialmente, a técnica proposta foi avaliada numericamente com auxílio do programa COMSOL multiphysics. A estimativa experimental destes parâmetros foi realizada a partir de duas configurações experimentais distintas, sendo que para a medição da difusividade térmica foi usado um soprador térmico para gerar a transferência térmica e dois termopares para a medição das temperaturas. Para a estimativa da condutividade térmica foi usada uma resistência elétrica, um transdutor de fluxo térmico e um termopar. Em ambos os experimentos, a amostra foi aquecida parcialmente em uma região específica da superfície, sendo que para a determinação da difusividade, usou-se as medições de temperatura da região não aquecida e para a obtenção da condutividade foi usado um ponto de temperatura localizado no centro e abaixo da resistência. A técnica se baseia na minimização de duas funções objetivo distintas usando a função erro quadrático. As funções foram definidas a partir das medições das temperaturas na superfície da amostra, mas usando diferentes problemas térmicos. A primeira função objetivo caracteriza-se pelo uso da razão de ganho de temperatura entre duas temperaturas medidas na superfície para a determinação da difusividade térmica. A segunda função usou valores experimentais e teóricos da temperatura no centro de aplicação do fluxo térmico, permitindo-se assim a estimativa da condutividade térmica. Na análise numérica, as estimativas da difusividade e da condutividade térmicas foram realizadas em materiais não metálicos e metálicos com erros inferiores a 1 %. Na análise experimental, a difusividade térmica foi estimada para amostra de policloreto de vinila (PVC), aço inoxidável AISI 304, AISI 1045, alumínio e fêmur bovino, e os resultados estão de acordo com a literatura. A condutividade experimental foi estimada com maior eficiência no PVC, já no aço inoxidável AISI 304 obteve-se erro na estimativa em torno de 10 %. This work presents an experimental technique to obtain the thermal diffusivity and thermal conductivity in solid and isotropic materials, using only a single access surface. Initially, the proposed technique was numerically evaluated using COMSOL multiphysics. The experimental estimation of the parameters was carried out from two different experimental configurations, for the thermal diffusivity measurement a thermal blower to generate the heat flux and two thermocouples for the temperature measurement were used. For the estimation of the thermal conductivity, an electric resistance, a heat flow transducer and a thermocouple were used. In both experiments the sample was partially heated in a specific region of the surface. For the determination of diffusivity, the temperature measurements of the unheated region were used. To obtain k, was used one point of temperature located below and in the center of the resistance. The technique relies on the minimization of two different objective functions using the quadratic error function. The functions were defined from the measurements of temperatures on the surface of the sample, but using different thermal problems. The first objective function is characterized by the use of the gain ratio between two surface temperatures for the determination of the thermal diffusivity. The second objective function was defined between the experimental and theoretical values of the temperature to estimate the thermal conductivity. In the numerical analysis, not metallic, polyvinyl chloride (PVC) and metalic materials such as AISI 304, titanium, aluminum and copper were evaluated, with errors less than 1 %. In the experimental analysis, the thermal diffusivity was estimated for samples of PVC, AISI 304, AISI 1045, aluminum and bovine femur, and the results are in agreement with the literature. The experimental thermal conductivity was estimated with greater efficiency in the PVC, already in the AISI 304 obtained an error in the estimation around 10 %. Dissertação (Mestrado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico In this work the TIG welding process of 304 stainless steel was approached numerically. An inverse problem was solved to estimate the heat transfer rate and the thermal efficiency of the welding process based on experimental temperatures measured by a thermographic camera. It was adopted a numerical model to solve the three-dimensional transient heat diffusion equation with phase change and moving source. The model took into account the dependence of thermal properties on the temperature and also the boundary conditions of heat loss by convection. A two-dimensional constant speed moving heat source along the length was considered and its geometry was defined by the gometrial appearance of the weld bead according to experimental data. The golden section method was used to solve the inverse problem in order to minimize a least square error function defined by the difference between experimental and calculated temperatures. The measurement of the experimental temperature by thermography was assomplished by shooting the opposite face of welding sample. The technique requires prior experimental camera calibration and digital correction of thermographic images. The results were compared with experimental data and values obtained by other authors which confirmed the feasibility of the technique in thermal analysis of welding processes. Neste trabalho, o processo de soldagem TIG de chapas de aço inoxidável da série 304 foi abordado numericamente. A partir de temperaturas experimentais medidas por uma câmera termográfica, foi aplicado uma técnica de problemas inversos para estimar a taxa de transferência de calor no modelo e, consequentemente, calcular o rendimento térmico do processo. Adotou-se um modelo numérico capaz de resolver a equação transiente tridimensional de difusão de calor com mudança de fase e fonte móvel. Considerou-se ainda a dependência das propriedades térmicas com a temperatura e condições de contorno de perdas de calor por convecção natural. A fonte de calor foi considerada bidimensional com velocidade constante ao longo de todo comprimento útil e sua geometria foi definida pelo aspecto geométrico do cordão de solda. A técnica inversa recorre ao método da secção áurea para solucionar o problema inverso, com a finalidade de minimizar a função erro quadrática definida pela diferença entre as temperaturas experimentais e calculadas pelo modelo teórico. A aquisição das temperaturas experimentais por termografia é realizada filmando a face oposta à da soldagem. A técnica exige uma calibração experimental prévia da câmera e a retificação digital das imagens termográficas. Os resultados obtidos foram comparados a dados experimentais e a valores obtidos por outros autores, o que confirmou a viabilidade da técnica na análise térmica de processos de soldagem. Mestre em Engenharia Mecânica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Heat generation is a common problem during any type of cutting, but particularly during a drilling due to the difficulty of conducting heat away from the cutting edge and the fact that the chips remain in contact with the tool for a relatively long time in a hole. Cutting temperatures have strongly influenced both the tool life and the metallurgical state of machined surfaces. Since the direct temperature measurements at the tool-piece interface are very complex this work proposes the estimation of the temperature and the heat flux at the tool-piece interface using the inverse heat conduction problem technique. The aim of the present paper is to develop a three-dimensional inverse algorithm in transient conditions for heat flux and drilling temperature estimation. While various studies modeling the drill are found in the literature, this wok focuses the thermal model of the piece to obtain the interface temperature. This work presents a modified procedure to use the concept of dynamic observers based on Green s functions to solve inverse problems. The modification presented here proposes two different improvements in the original technique: i) A different method of obtaining the transfer function model, GH, using analytical functions instead of numerical procedures, and ii) Definition of a new concept of GH to allow the use of more than one response temperature. Obtaining the heat transfer functions represents an important role in the observer method and is crucial to allow the technique to be directly applied to three-dimensional heat conduction problems with moving heat source. The thermal model is obtained by a numerical solution of the transient three-dimensional heat diffusion equation that considers drill as a heat source moving. To determine the solution equation the finite volume method is used. Several tests using cemented carbide tools drilling a micro allowed steel piece were performed in order to check the model and to estimate the heat flux rate and the temperature at interface tool-piece. A geração de calor devido ao atrito é um problema comum nos diversos processos de usinagem. Entretanto seus efeitos são geralmente mais severos em processos de furação, uma vez que, a ferramenta se encontra inserida em uma área restrita da peça e permanece em contato com o cavaco durante um longo tempo. A dificuldade da obtenção da temperatura na interface cavaco-ferramenta mesmo para condições de corte simples, requer, por sua vez, o desenvolvimento de uma técnica eficiente. Nesse sentido, o principal objetivo deste trabalho é apresentar uma nova metodologia que possibilite a obtenção da taxa de transferência de calor na interface de corte e do campo de temperatura na peça a partir da solução numérica do problema térmico de furação e do uso de técnicas inversas de solução de problemas de transferência de calor. De forma diferente da maioria dos trabalhos encontrados na literatura nos quais as brocas são estudadas, optou-se pela abordagem direta do problema de furação modelando-se termicamente a peça. O método inverso baseado em funções de Green e observadores dinâmicos é modificado neste trabalho sendo incorporando-se avanços importantes com o objetivo de se aumentar a robustez, confiança nos resultados e permitir a aplicação específica aos problemas de estimativas de fonte de calor móvel. Dentre as vantagens da nova técnica proposta estão a capacidade de incorporação dos parâmetros de ajuste que variam em função do nível de ruído presente nos dados experimentais, do uso do conceito de função de transferência global e da incorporação de soluções analíticas para a obtenção das funções transferência. Resultados simulados e experimentais são apresentados. Os experimentos realizados neste trabalho são relativos a um processo de furação em amostras de material em aço microligado a partir do uso de brocas de metal duro sob condições de usinagem específicas e constantes. Embora este estudo tenha sido aplicado a um processo de furação específico, o procedimento aqui desenvolvido pode ser aplicado em condições gerais a qualquer processo de furação, incluindo a furação em ossos, motivação inicial deste trabalho. Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais This work proposes the determination of the high temperatures generated, during machining, in the region of the tool cutting edge. These temperatures have a controlling influence on the rate of wear of the cutting tool and on the friction between the chip and the tool. However, direct measurement of temperature using contact type sensors at the tool-work interface is difficult to implement due to the movement of the workpiece and the presence of the chip. In these sense, these work proposes the development of a computational code to solve numerically the three-dimensional thermal transient equation using finite volumes technique, irregular and co-located mesh. For the solution of the inverse problem were tested the following inverse techniques: Golden Section, Simulated Annealing, Function Specification and Dynamic Observers based on Green´s Function. The software is validated by controlled experiments and qualitative analyses. Several tests were realized and some improvements were implemented in the algorithm with the objective of guaranteeing the energy conservation during the thermal analysis of complex geometries. This work applies the software called INV3D to determine the thermal fields during machining of free cutting steel with high speed steel tool. It is also presented the influence of the parameters of cut - feed rate, depth of cut, cutting speed - in the temperature of the chip-tool interface. It is pointed out that the temperatures for each cutting condition are compared to the tool-work thermocouple technique. Finally, an error analysis of the results is presented. Durante o torneamento a energia mecânica é convertida em calor através da deformação plástica do cavaco e do atrito entre a ferramenta e a peça. O calor conduzido na ferramenta de corte resulta em altas temperaturas na interface de contato. A partir do conhecimento destas temperaturas é possível avaliar de uma forma mais eficiente o desgaste da ferramenta. Contudo existe uma dificuldade em se medir a temperatura na interface cavacoferramenta, mostrando a importância do desenvolvimento de técnicas eficientes para a análise desta variável. Neste sentido, o Laboratório de Transferência de Calor e Massa e Dinâmica dos Fluidos (LTCM) da Universidade Federal de Uberlândia (UFU) vêm desenvolvendo softwares específicos que utilizam técnicas inversas para determinar o fluxo de calor e a distribuição de temperatura em processos de fabricação, mais especificamente de usinagem. Dentre os softwares existentes no laboratório destaca-se o INV 3D que resolve problemas diretos e inversos de transferência de calor. O INV 3D baseia-se na solução numérica, via volumes finitos, de um modelo térmico tridimensional transiente utilizando malha irregular e co-localizada. Para a solução do problema inverso o software possui implementadas as seguintes técnicas inversas: Seção Áurea, Simulated Annealing e Função Especificada. Para validar o software e algumas melhorias propostas neste trabalho, realizam-se alguns testes no algoritmo envolvendo a conservação de energia durante a análise térmica de algumas formas geométricas. Neste sentido, este trabalho tem como objetivo desenvolver um novo algoritmo computacional para o INV 3D, que permita obter a solução do problema direto para modelos com formas geométricas complexas. Além disto, será estudado neste trabalho algumas técnicas inversas existentes, de forma a adotar a mais conveniente a ser aplicada no problema térmico de usinagem por torneamento de aço de corte-fácil com ferramenta de aço-rápido. Propõe-se ainda uma análise da influência dos parâmetros de corte (avanço, profundidade e velocidade de corte) na temperatura desenvolvida na interface cavaco-ferramenta. Por fim, os resultados obtidos serão comparados ao método experimental do termopar ferramenta-peça. Mestre em Engenharia Mecânica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Advances in computer throughput have helped to popularize numerical optimization as an engineering tool. However, they also favor an increase in complexity of the state-of-the-art simulation. As a result, the computational cost of complex high-fidelity engineering simulations often makes it difficult to rely exclusively on simulation for optimization. This doctoral research presents an effort in combining global optimization and surrogate modeling techniques as a way to rationally use the computer budget and increase the information level obtained during the optimization task. The above mentioned techniques were used in the solution of the continuousdiscrete problems of the optimal design of a vehicular structure and aircraft structural components; identification of aircraft longitudinal stability and control derivatives and non-linear landing gear model and the improvement of surrogate models through extra simulations. Besides, the solution of the combinatorial problem of the optimal Latin Hypercube has been implemented. At the end of the research, the main learning is that, as it also happens with classical optimization algorithms, the success in using heuristic methods is highly dependent on a number of factors, such as the level of fidelity of the simulations, level of previous knowledge of be problem, and, of course, computational resources. This way, the use of variable fidelity and surrogate models together with heuristic optimization methods is a successful approach, since heuristic algorithms do not require gradient information (i.e., resources are directly used for the search, and there is no propagation of the errors due to the computation of the gradients); and they have the trend to find the global or near global solution. In some cases, a cascade-type combination of heuristic and classical optimization methods may be a suitable strategy for taking advantage of the global and local search capabilities of the individual algorithms. Avanços na capacidade de processamento computacional popularizaram a otimização numérica como uma ferramenta de engenharia. Contudo, eles favoreceram também o aumento na complexidade das simulações. Como resultado, o custo computacional de simulações complexas de alta fidelidade em engenharia dificultam o uso exclusivo de simulações em otimização. Esta pesquisa de doutorado representa um esforço em combinar técnicas de otimização global e meta-modelagem como uma forma de usar racionalmente os recursos computacionais e aumentar o nível de informação obtida durante a tarefa de otimização. As técnicas mencionadas acima foram usadas na resolução dos problemas contínuo-discretos do projeto ótimo de uma estrutura veicular e componentes estruturais aeronáuticos; identificação de derivadas de controle e estabilidade longitudinal de aviões e modelo não linear de trem de pouso; e melhoramento de meta-modelos via adição de simulações. Além disso, a solução do problema combinatorial do hipercubo latino ótimo também foi implementado. Ao final da pesquisa, a principal lição é que, assim como também acontece com algoritmos clássicos de otimização, o sucesso no uso de métodos heurísticos é altamente dependente do problema, nível de fidelidade das simulações, nível das informações já conhecidas do problema, e, obviamente, recursos computacionais. Desta forma, o uso de fidelidade variável e metamodelagem juntamente com métodos heurísticos de otimização é uma estratégia bem sucedida, uma vez que métodos heurísticos não requerem informação sobre o gradiente (isto é, os recursos são diretamente usados na busca e não há propagação dos erros devido ao cálculo dos gradientes); e eles têm a tendência em encontrar a solução global ou próxima dela. Em alguns casos, uma combinação em cascata de métodos de otimização heurísticos e clássicos pode compor uma estratégia viável para aproveitar as capacidades de busca global e local dos algoritmos individuais. Doutor em Engenharia Mecânica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work presents the development of an experimental technique to estimate simultaneously the thermal diffusivity and the thermal conductivity of metallic and non metallic materials. The technique is based on using heating elements and inverse heat conduction procedure. The basic procedure is divided in five different steps: i) an experimental apparatus that allows the imposition of the heat flux in a part of the sample while the remaining surfaces are kept isolated; ii) thermal model deriving; iii) obtaining of a dimensionless heat flux, Q+(t), that is proportional to the heat flux, (t), imposed on the sample, using dynamic observers based on Green s function; iv) thermal diffusivity estimation; v) Estimation of heat flux, (t) and thermal conductivity using the total heat supplied and Q+(t) estimations. The flexibility of the technique proposed includes the measurement of thermal properties metallic and not metallic solid materials from non regular geometry without heat flux transducer. The work also presents the experimental apparatus design as well as the results of the thermal property identification for three different types of materials (stainless steels AISI 304, AISI 410 and Polished Chloride of Vinila (PVC)). A comparison with literature demonstrates the great potentiality of the technique. Desenvolve-se, neste trabalho, uma técnica experimental que permite a obtenção da difusividade e da condutividade térmica de materiais condutores e não condutores através do uso de elementos de aquecimento e de técnicas de estimativas de funções para a obtenção do fluxo de calor imposto. O princípio básico do procedimento é dividido em: i) desenvolvimento de um aparato experimental que permite a imposição do fluxo de calor em uma parte da amostra enquanto as superfícies remanescentes permanecem isoladas do meio; ii) obtenção de um modelo térmico deste aparato; iii) obtenção de uma grandeza proporcional ao fluxo de calor imposto na amostra, Q+(t), usando a técnicas de problemas inversos; iv) obtenção da difusividade térmica; v) comparação entre a taxa de calor total fornecida pelo elemento de aquecimento e a grandeza proporcional ao fluxo de calor imposto na amostra durante o ciclo de aquecimento e a conseqüente obtenção da condutividade térmica. A flexibilidade da técnica proposta inclui a medição de materiais sólidos metálicos e não metálicos com geometrias variáveis. Nesse sentido, apresenta-se a montagem e o planejamento experimental bem como os resultados do trabalho para a determinação das propriedades térmicas de três tipos diferentes de materiais (aço inox 304, aço inox 410 e Poli Cloreto de Vinila (PVC)). Os resultados comparados com a literatura demonstram o excelente desempenho da técnica proposta cuja característica principal é a eliminação do uso de transdutores de fluxo de calor para a determinação da condutividade térmica. Doutor em Engenharia Mecânica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work proposes a new procedure for the study of inverse heat conduction problem. The dynamic observer state technique, used here, is developed to solve not only onedimensional but also three-dimensional heat transfer problem. The inverse heat conduction problem is represented by a classical inverse definition, i.e., an unknown heat flux is imposed at a front surface of a sample. The heat flux is then estimated by using the dynamic observer techniques and temperature data simulated from sensor located at the sample far from the heat source. The derivation of optimal observer equations follows directly from a novel interpretation on inverse heat conduction in the frequency domain: solving the IHCP is viewed as a filter design problem in which the reconstructed heat flux is obtained by low-pass filtering of the true heat flux. The transfer function, crucial for these techniques, is obtained here using the Green function method. This procedure allows a great flexibility to the technique and represents an easy way to apply the observer method to multidimensional problem. Comparisons with the sequential specification method and golden section technique are presented in order to evaluate the technique. The technique shows to be robust and efficient. In addition, the method also has a low processing time. A maioria das técnicas usadas na solução de problemas inversos se restringe à solução de problemas unidimensionais, esbarrando em restrições computacionais e/ou matemáticas. Como alternativa na solução desse tipo de abordagem, técnicas de otimização e de filtros têm sido bastante usadas. A principal característica dos algoritmos que usam filtros é a robustez quanto à presença de ruídos experimentais, uma vez que essa interferência, que é inerente aos dados experimentais, pode ser amplificada durante o processo de estimação. A minimização dos efeitos do ruído é, portanto, fundamental na solução de problemas inversos. Neste sentido, esse trabalho apresenta um novo procedimento para o uso de observadores dinâmicos a ser aplicado na solução de problemas inversos multidimensionais em condução de calor. O novo procedimento consiste no uso de funções de Green e na definição de sistemas dinâmicos equivalentes para a obtenção da função de transferência de forma simples e direta. Tal procedimento pode ser usado indistintamente em modelos 1D, 2D ou 3D. Para avaliar a eficiência do uso da técnica baseada em funções de Green e observadores dinâmicos, testes simulados e experimentais foram realizados em modelos uni, bi e tridimensionais. Além disso, submeteu-se a técnica proposta a comparações com métodos já consolidados na solução de problemas inversos, como o método da função especificada seqüencial ou técnicas de otimização como o método da seção áurea. A técnica desenvolvida se mostrou eficiente, robusta, simples quanto a sua implementação, requerendo um baixo tempo de processamento, sendo competitiva do ponto de vista de obtenção dos resultados. Mestre em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais During machining, high temperatures are generated in the region of the tool cutting edge, and these temperatures have a controlling influence on the wear rate of the cutting tool and on the friction between the chip and the tool. However, direct measurement of temperature using contact type sensors at the tool-work interface is difficult to implement due to the rotating movement of the workpiece and the presence of the chip. Therefore, the use of inverse heat conduction techniques represents a good alternative since these techniques takes into account temperatures measured from accessible positions. This work proposes a new experimental methodology to determine the thermal fields and the heat generated in the chiptool interface during machining process using inverse problems techniques. This work develops a numerical 3-D transient thermal model that takes into account both the tool and toolholder assembly. The thermal model represents the direct problem and is solved using finite volume techniques on a non uniform mesh. The related inverse problem is solved by using the golden section technique. The experimental data and inverse technique are processed using a computational algorithm developed specifically for inverse heat flux estimation in manufacturing processes called INV3D. An error analysis of the results and the experimental procedures to determine the cut area and the tool holder temperature are also presented. Besides the machining problem, INV3D is also able to solve different thermal problems. As an example of its generality, this work also presents an application of this software in the thermal fields study during a welding process. Durante a usinagem de metais, altas temperaturas são geradas na interface de cavacoferramenta. Essas temperaturas, por sua vez, têm forte influência no controle da taxa de remoção de material e no atrito entre o cavaco e a ferramenta de corte. Observa-se, entretanto que a medição direta de temperaturas nessa região é de difícil execução devido ao movimento da peça e a presença do cavaco. Assim, o uso de técnicas inversas em condução de calor se apresenta como uma boa alternativa para a obtenção dessas temperaturas uma vez que essas técnicas permitem o uso de dados experimentais obtidos em regiões acessíveis. Este trabalho propõe uma nova metodologia experimental para a determinação dos campos térmicos e do fluxo térmico gerado em ferramentas de corte durante um processo de torneamento. Uma das inovações apresentadas é o desenvolvimento de um modelo térmico tridimensional transiente que considera além da ferramenta de corte, o conjunto ferramenta, calço e porta-ferramenta. O problema direto é então resolvido numericamente usando-se diferenças finitas a partir de uma malha de discretização não uniforme. O problema inverso, por sua vez, é resolvido por meio da técnica de otimização da seção áurea. Para a solução dos problemas envolvidos, desenvolveu-se um código computacional específico, denominado INV3D. O programa INV3D contém ainda uma série de funções que auxiliam na aquisição dos dados experimentais, na geração da malha tridimensional e na análise em ambiente gráfico. O trabalho apresenta também os procedimentos experimentais usados na medição das temperaturas na ferramenta, calço e porta-ferramenta e na identificação da área de interface de corte. Os resultados obtidos são validados por meio de experimentos controlados em laboratório e de análises qualitativas. Além do problema de usinagem investigado, como exemplo da generalidade do Inv3D na solução de problemas térmicos, apresenta-se também uma aplicação deste software no estudo de campos térmicos decorrentes de um processo de soldagem TIG em alumínio. Doutor em Engenharia Mecânica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work proposes a methodology to obtain the transient cutting tool temperature. The physical phenomenon is treated by a three-dimensional analysis. The inverse heat conduction technique is proposed to estimate the generated heat flux on the rake face of the tool. This technique is based on conjugate gradient method with adjoint equation. The machining process is instrumented with thermocouples at the bottom face of the tool, opposite to its main rake face. The signals are automatically received and processed using a data acquisition system and a PC-Pentium. The direct solution is numerically solved using finite volumes method with the heat flux estimated. The experimental data are processed using a computational algorithm developed specifically for inverse heat flux estimation in machining processes. Experimental temperatures are obtained during several cutting tests using cemented carbide and ceramic tools. The influence of the cutting parameters on the temperature distribution is verified. An error analysis of the results is also presented. O objetivo deste trabalho é propor uma metodologia para a obtenção da distribuição da temperatura na superfície de corte da ferramenta em um processo de usinagem por torneamento. Nesse sentido, o problema térmico de usinagem é caracterizado de maneira bem realista através de uma abordagem tridimensional. Para a obtenção dos campos térmicos na região de corte propõe-se o uso de técnicas de problemas inversos em condução de calor. Assim, a solução do problema térmico é obtida em duas etapas: solução inversa e solução direta. A solução inversa baseia-se no método do gradiente conjugado e da equação adjunta para a estimar o fluxo de calor gerado na região de corte que flui para a ferramenta. Nesse caso, são usados termopares soldados na face oposta da ferramenta que fornecem a informação necessária para que a solução inversa consiga estimar o fluxo de calor. Com a obtenção do fluxo de calor que flui para a ferramenta utiliza-se a solução direta do problema térmico para o cálculo da temperatura na região de corte. A implementação computacional da solução inversa e da solução direta é apresentada sob a forma de um programa de computador intitulado GRAD3D 1.0. Nesse programa, além da solução proposta para o problema térmico de usinagem é possível simular numericamente problemas térmicos correlatos. Testes experimentais unidimensionais e tridimensionais com condições controladas são apresentados para a validação do algoritmo computacional. Nos testes experimentais de usinagem, a aplicabilidade da técnica proposta é avaliada para o processo de usinagem por torneamento de uma barra de ferro fundido cinzento usando-se ferramentas de metal duro (WC) e de cerâmica (Si3N4). Apresenta-se ainda uma análise dos erros que podem estar presentes nos resultados obtidos. Doutor em Engenharia Mecânica

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Nesse trabalho descrevem-se três métodos experimentais para a determinação simultânea da difusividade térmica e da condutividade térmica de materiais não metálicos Nesses métodos tanto a imposição quanto a medição de fluxo de calor e temperatura são provenientes de somente uma face de acesso. O primeiro método desenvolvido, baseia-se no uso de técnicas seqüenciais de otimização sem restrições em uma função objetivo de mínimos quadrados. No outro método são usadas as técnicas de estimação de parâmetros juntamente com a seção Áurea na minimização de duas funções objetivos distintas. Uma função objetivo de correlação variando somente com a difusividade é usada para sua estimação, enquanto a função mínimos quadrados é usada para a obtenção da condutividade. Tanto a função de mínimos quadrados quanto a função de correlação são definidas a partir de temperaturas experimentais e calculadas por um modelo teórico. Uma característica comum desses dois métodos é a baixa sensibilidade das funções objetivos propostas em relação à difusividade. O terceiro método proposto minimiza esse problema e obtém as propriedades difusividade e condutividade com um grande nível de confiança. Nesse método, uma função de fase no domínio da freqüência é usada para a determinação da difusividade e a mesma função de mínimos quadrados definida pelos métodos anteriores é usada para a determinação da condutividade. Uma comparação dos resultados para esse método é feita a partir do uso dos métodos flash e da placa quente compensada para uma amostra de Polychloroethylene (PVC), obtendo-se uma dispersão de 2,97 % e 0,63 %, respectivamente, para a difusividade e condutividade. Apresenta-se ainda nesse trabalho uma análise de incerteza na obtenção das propriedades térmicas, bem como o desenvolvimento das bancadas experimentais relativas às técnicas usadas para a comparação. Uma investigação do potencial de aplicação do método em materiais condutores é também apresentada. This work describes three experimental techniques for determining simultaneously the properties, thermal diffusivity and thermal conductivity of non-metallic materials. All techniques use experimental data from one of the same sample surfaces. It means that the imposing heat flux and the temperature response are measured at the same surface of the sample. The first technique determines the properties by using sequential unconstrained optimization methods, which minimizes a least square error function. In the second, two different objective functions are used. In this case, the thermal diffusivity is estimated from a correlation function while the thermal conductivity is estimated from the square error function. Both correlation and error function are defined from experimental temperature and calculated temperature using a theoretical model. These first two techniques have presented low sensitivity in the thermal diffusivity estimation. To avoid this problem, a third method is proposed. This method works in the frequency domain for the estimation of thermal diffusivity. In this case, an objective function representing the eigenvalue phase angle is used to determine the thermal diffusivity while the square error function is used for the thermal conductivity estimation. A comparison with the flash method and the guarded hot plate method gives a deviation of 2,97 % and 0,63 % for thermal diffusivity and thermal conductivity, respectively, for a Polychloroethylene (PVC) sample. At the end of this work an uncertainty analysis and an investigation for conductive materials application are also presented. Tese (Doutorado)

Este trabalho investiga o uso de técnicas de problemas inversos em condução de calor. A atenção, nesse caso, é voltada para a obtenção dos campos térmicos superficiais presentes em ferramentas de corte durante um processo de usinagem. A estimação do fluxo de calor superficial se dá através da minimização de uma função erro, definida pelo quadrado da diferença entre temperaturas experimentais e calculadas. Uma avaliação das condições de contorno reais desse processo de usinagem indica a complexidade do problema térmico, implicando numa análise tridimensional. Nesse sentido, numa primeira abordagem, o uso de hipóteses simplificativas permite análises unidimensional e bidimensional. O fluxo de calor gerado num processo de usinagem foi simulado numericamente no intuito de se permitir uma maior flexibilidade na análise da técnica usada. Este trabalho apresenta resultados de ambas análises. Na análise unidimensional, há a imposição de uma evolução de fluxo de calor unidirecional e linear na superfície de corte da ferramenta. Na análise bidimensional, a evolução linear de fluxo de calor imposta varia com o tempo e com a posição. Permite-se nesse caso, a admissão de perdas de calor pelas laterais. A avaliação dos resultados obtidos indica que essa metodologia pode ser aplicada com sucesso em processos de usinagem. This work treats techniques for solving inverse heat conduction problems related to tools used in machining. The surface heat flux can be estimated from experimental and calculated temperature data. An evaluation of boundary conditions of metal cutting indicates the complexity of the thermal problem and a three-dimensional analysis is necessary. I-Iowever, in a first study, the use of a simplified hypothesis enables one-dimensional and two-dimensional analyses initially. The heat source due the machining process was simulated numerically to permit a great flexibility in the analysis of the technique used. This work presents the results of both the one-dimensional and two-dimensional analyses. In the one-dimensional analysis, the tool rake face appears to a one-dimensional linear heat transfer history. In the two-dimensional analysis, the linear heat transfer history varies with time and position. In that case, the heat appeared to be lost laterally. The evaluation of results indicates the cases that the methods can be applied successfully. Dissertação (Mestrado)