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Agradecimentos: The authors would like to acknowledge VALE S.A for providing the data from the commercial simulator Abstract: The pneumatic brake system is the most important safety component in freight trains. Understanding its behavior during operation is crucial to identify the causes of technical problems and to improve driving techniques. Commercial codes can be used to analyze the system, aiming to develop better braking procedures and to predict eventual problems. However, these codes are not aimed to improve driver's skills or to predict the effects of unexpected driver's actions on the system, which can be done using train simulators and requires real-time simulations. This work focuses on modeling the pneumatic brake system to estimate the pressure along the brake line in real time by employing two different methods: the lumped characteristics approach and an isothermal approach using the Navier–Stokes equation. The results from both models match with the ones from a commercial software, which is known to represent adequately the system's behavior on the field. Using processing time as the selection criteria, this work shows that the lumped characteristics method is the best choice to be employed in real-time simulations Fechado

The continuous growth of ore train lengths demands more efficient schedules, improved transit estimations and accident prevention schemes. Braking is a key component in achieving these objectives. Understandably, physical testing is potentially dangerous and costly. Meanwhile, the computational cost of calculating vehicle forces and brake airflow is high, both in computational effort and time. Therefore, strategies to improve analytical and simulation effectiveness efficiency are critical to achieve the goal of transporting more cargo safely and economically. This work implemented and compared the computational cost of a parallelization method against a traditional single-thread approach. The first model is based on lump parameters, while the second use Navier-Stokes conservation equations assuming an isothermal environment. Both models used OpenMP to execute on multiple cores. This implementation resulted in an 80% reduction in model solution time, when compared with the traditional single-thread approach Aberto

Orientador: Fausto Rodrigues Filho Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho tem como objetivo obter um valor para o coeficiente global de transferência de calor adequado para simular o processo do aquecimento de rodas ferroviárias durante a frenagem em rodas de 33 pol (838 mm). Para tanto, construiu-se um dispositivo de ensaios de material de atrito para freios ferroviários e rodas, em escala real, capaz de simular as condições de frenagem mais comuns encontradas na operação ferroviária. Mediram-se as variações de temperatura e potência de frenagem, para diversos ensaios padronizados, que foram comparadas com os resultados obtidos por simulação numérica do processo de frenagem. Definiu-se uma metodologia de obtenção do valor do coeficiente procurado, a qual foi seguida até que os resultados obtidos concordassem com os medidos em margens consideradas adequadas. A obtenção deste valor é de fundamental importância para o cálculo da distribuição das tensões térmicas e para as pesquisas futuras visando a determinação de condições seguras de operação das ferrovias Abstract: The objective of this work is to determine a value of the overall heat transfer coefficient to be able to simulatethe heating during braking process in 33 inch railroad wheels. To achieve this objective it was necessary to design and construct a full scale railroad brake dynamometer to reproduce the most commom braking conditions found in railroad operation. The variations in brake power and temperature were measured during standardized tests and were compared to the results obteined ftom a finite element numerical simulation. Many trial simulations were realized in order to achieve better agreement between the numerical predictions and the experimental results. The results of this work are important to determine the thermal stress distribution in railroad wheels during braking and this represents the major aim of works developed in the Railroad Laboratory of the State University of Campinas Doutorado Mecânica dos Sólidos Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O sistema de freios pneumáticos para vagões de alta carga é crucial para a segurança e a confiabilidade do transporte ferroviário. Frequentemente, a análise do sistema de freios para vagões foca no desempenho do sistema pneumático que consiste no encanamento geral, nas válvulas de controle e nos reservatórios dos vagões. Porém, mesmo sendo uma tecnologia que já existe há séculos, poucas mudanças estruturais ou novos projetos têm sido lançados para aprimorar o sistema de freios pneumáticos. As duas maiores desvantagens do sistema são a propagação lenta do sinal de pressão e a passagem em série entre os vagões na composição. Essas desvantagens resultam em longas distâncias para parar e, uma vez que os vagões à frente na composição freiam mais cedo que os vagões à trás, choques longitudinais ocorrem entre eles. Mesmo que sistemas de freios eletropneumáticos já existam, a implementação ainda não chegou para vagões de alta carga pois o custo de implementação é muito alto. Portanto, soluções mecânicas e com custos baixos são apresentados neste trabalho. O projeto escolhido é simulado usando modelos matemáticos derivados das equações de Navier-Stokes e implementado na linguagem de programação C++ para verificar o desempenho do sistema. É proposto o uso de um projeto que utiliza o efeito de venturi para gerar uma pressão de vácuo na saída da válvula de controle para e seja possível propagar o sinal de pressão dentro do encanamento geral de maneira mais rápida. Uma dessas soluções de design utiliza um efeito venturi para criar um vácuo perto da saída da válvula de controle pneumático, que permite uma propagação mais rápida do sinal no encanamento geral. A propagação do sinal mais rápido no encanamento foi implementada em um modelo de dinâmica longitudinal, em Matlab e Simulink, para determinar o seu efeito nos acoplamentos. Os resultados indicam que a introdução do efeito venturi pode reduzir o acúmulo de danos nos acoplamentos, em detrimento do ar do reservatório de emergência. No entanto, os resultados da dinâmica longitudinal requerem estudos adicionais antes da implementação do venturi em campo Abstract: The pneumatic air brake system in railway trains is critical to the safe and reliable operation of heavy-haul railway transportation. Analysis of the braking performance of the railway wagons often focuses on the behavior and response time of the pneumatic system, consisting of the brake pipe, wagon control valves, wagon brake cylinders, and the wagon air reservoirs. However, for a technology that has been used for centuries and researched for decades in academia, very few architecture or design changes have been introduced to improve the pneumatic air brake system. Two significant design drawbacks of the pneumatic air brake system are slow signal propagation and in series signal passing from wagon to wagon. These drawbacks lead to long stopping distances and, because front wagons begin to brake long before rear wagons, damaging longitudinal shocks between the wagons. While electro-pneumatic brake systems in heavy-haul railway trains are emerging as reliable solutions to the problems faced by purely pneumatic air brake systems, the high cost of implementation and other risk factors have delayed their use in the field. Therefore, purely mechanical, low-cost design solutions are studied in this work. A single design solution has been simulated using mathematical models derived from the Navier-Stokes equations and computationally solved in the C++ programming language to verify system performance. This design solution utilizes a venturi effect to create a vacuum near the outlet of the pneumatic control valve, that enables faster signal propagation through the brake pipe. The faster brake pipe signal was then implemented in a Matlab Simulink longitudinal dynamics model to determine its effect on draft gear couplings. The results indicate that introducing a venturi effect can reduce damage accumulation in the draft gears, at the expense of emergency reservoir air. However, the longitudinal dynamics results require additional study before venturi implementation into the field, as the behavior is not fully controlled and still suffers from similar design flaws as the current system Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 88882.435249/2019-01

Orientadores: Auteliano Antunes dos Santos Júnior, Allan Patrick Cordeiro Dias Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Esta tese propõe um modelo para avaliação da vida em fadiga de trilhos ferroviários sujeitos a contato em rolamento, que permita obter respostas mais rápidas que os modelos atualmente empregados e com precisão suficiente para análise de Fadiga Multiaxial, podendo ser adaptado para outros empregos. Inicialmente, o trilho é modelado utilizando o Método dos Elementos Finitos – MEF, considerando regime linear elástico; e a aplicação de carga de contato é feita utilizando uma abordagem analítico-numérica. Em seguida, um conjunto de simulações é realizado empregando uma estratégia especialmente desenvolvida para obter a resposta pseudo-elástica do trilho para quaisquer posições e áreas de contato. O resultado desse conjunto de simulações é organizado de modo a gerar um mapa, com o qual o ciclo das componentes da tensão pseudo-elástica referente a uma passagem de roda pode ser definido para qualquer condição de contato (dimensão da área de contato, posição e cargas normal, lateral e longitudinal). Utilizando o mapeamento previamente obtido e dados de simulações de dinâmica de multicorpos, o histórico das componentes de tensão pseudo-elástica é calculado. As tensões pseudo-elásticas são então convertidas em elastoplásticas utilizando um algoritmo incremental, proposto originalmente para correção de tensões em entalhes e estendido no presente trabalho para o caso do contato em rolamento. As tensões elastoplásticas são utilizadas para avaliação de falha por Fadiga Multiaxial empregando o modelo de Dang Van. A análise e os resultados foram comparados com os resultados obtidos com um modelo elastoplástico não linear amplamente utilizado na literatura, que emprega o MEF, para um carregamento típico de ferrovias heavy haul. Para a análise comparativa de fadiga, duas abordagens diferentes foram empregadas, uma baseada em tensões e outra em deformações. A comparação do dano calculado com o modelo proposto e com o modelo não linear em MEF mostrou que o modelo desenvolvido é adequado para avaliar a vida em fadiga de trilhos. A principal vantagem do novo modelo em relação a outros modelos presentes na literatura é a de ser rápido sem comprometer a precisão dos resultados. Enquanto o modelo não linear baseado no MEF requer 40 horas de simulação para calcular um ciclo de contato de rolamento, o modelo proposto requer apenas 8 horas de simulação, requerendo apenas alguns segundos adicionais por ciclo para calcular uma resposta elastoplástica completa. Devido à sua rapidez, o modelo proposto viabiliza a obtenção da resposta de tensões para longos históricos de carga em problemas reais Abstract: This work proposes a model for fatigue life evaluation of railroad rails subjected to rolling contact loads which produces results faster than the models currently employed in the literature. The accuracy of the proposed model is high enough for use in multiaxial fatigue analysis and can be adapted for other applications. Initially, the rail is modelled with the Finite Element Method – FEM, considering the linear elastic regime; the load application is done by a coupled analytical and numerical approach. Then, a set of simulations is executed by employing a specially developed strategy to get the pseudo-elastic response of the rail for any position and contact area. This set of pseudo-elastic responses is arranged to generate a map with which the cycle of the pseudo-elastic stress components referring to a wheel passage can be defined for any contact condition (contact dimensions, position, and normal, lateral, and longitudinal loads). Using the previously obtained map, and data from multibody dynamics simulations, the time histories of the pseudo-elastic stress components are calculated. The pseudo-elastic stresses are converted into elastic-plastic stresses by using an incremental algorithm originally proposed for notch root stresses. The approach is extended to the rolling contact problem in this work. The elastic-plastic stresses are used for the multiaxial fatigue analysis by employing the Dang Van fatigue criterion. The analysis and the results of the proposed model were compared with results obtained from a non-linear elastic-plastic model employing FEM, that is widely used in the literature. A typical load case observed in heavy haul railroads is simulated using the non-linear model in FEM and in the proposed model. For the comparative fatigue analysis, two fatigue approaches are used: stress-based and strain-based. The comparison of the damage calculated with the proposed model and with the non-linear model in FEM showed that the proposed model is suitable for evaluating the fatigue life of rails. The main advantage of the new model when it is compared to other models present in the literature, is that it is fast, and the accuracy of the results is not compromised. The non-linear model in FEM requires 40 hours of simulation to calculate one rolling contact cycle. To accomplish the same task, the proposed model requires a set of pseudo-elastic responses which can be obtained in only 8 hours of simulation. The set of pseudo-elastic responses is calculated only once and, additionally, only a few seconds per cycle are needed to calculate the complete elastic-plastic response. Due to the significant reduction in the calculation time, the proposed model enables quick the calculation of long elastic-plastic responses observed in real problems Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Auteliano Antunes dos Santos Júnior, Guilherme Fabiano Mendonça dos Santos Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Rodeiros instrumentados são utilizados para medir as forças laterais (L) e verticais (V) decorrentes do contato entre a roda e o trilho ferroviários. Através dessas medidas, é possível quantificar a segurança da via utilizando o critério de Nadal, que define valores limites para a razão dessas forças (L/V). Existem limitações na aplicação de rodeiros instrumentados, tais como sua complexidade, preço e confiabilidade. Além disso, rodeiros instrumentados carecem de sensoriamento com extensômetros, que trabalham em condições ambientais agressivas, requerendo manutenção constante. Assim, é de grande relevância para a segurança do setor ferroviário explorar outras opções para medição de tais esforços, buscando alternativas viáveis que permitam enfrentar as limitações descritas. Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma solução para a medição indireta da relação entre as forças laterais e verticais na interface roda-trilho, permitindo o cálculo da propensão ao descarrilamento sem o uso do rodeiro instrumentado. Para isso, foram desenvolvidos modelos multicorpos representativos da operação de vagões de minério, que permitiram avaliar o seu comportamento dinâmico, e foram empregadas técnicas de inteligência artificial para identificação dos sensores e das posições mais adequadas para estes, de forma a que levasse à correta determinação da relação L/V. A análise dinâmica foi feita empregando modelos desenvolvidos em software comercial de multicorpos para representar um veículo ferroviário instrumentado real, que também foi empregado na validação dos modelos. Como resultado, este trabalho propôs um novo arranjo instrumental adequado para uso em vagões, que pode ser empregado para a determinação da relação L/V, com erro quadrático médio inferior a 1.10-4 e coeficiente de determinação acima de 90% Abstract: Instrumented wheelsets are used to measure the lateral (L) and vertical (V) forces arising from the contact between the wheel and rail. Through these measures, it is possible to quantify the safety of the road using Nadal's criterion, which defines limit values for the ratio of these forces (L/V). There are limitations in the application of instrumented wheelset, such as its complexity, price and reliability. In addition, instrumented wheelset lacks sensing with strain gauges, which work in aggressive environmental conditions, requiring constant maintenance. Thus, it is relevant for the safety of the railway sector to explore other options for measuring such efforts, seeking viable alternatives that allow facing the limitations described. This work aimed to develop a solution for the indirect measurement of the relationship between lateral and vertical forces at the wheel-rail interface, allowing the calculation of the derailment propensity without the use of an instrumented wheelset. For this, representative multibody models of the operation of ore wagons were developed, which allowed the evaluation of their dynamic behavior, and artificial intelligence techniques were used to identify the sensors and the most suitable positions for them, in order to lead to the correct determination of the L/V ratio. Dynamic analysis was performed using models developed in commercial multibody software to represent a real instrumented railway vehicle, which was also used in the validation of the models. As a result, this work proposed a new instrumental arrangement suitable for use in wagons, which can be used to determine the L/V ratio, with mean square error below 1.10-4 and coefficient of determination above 90% Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestra em Engenharia Mecânica Funcamp 5492

Orientador: Kátia Lucchesi Cavalca Dedini Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Os mancais possuem um papel expressivo dentre os componentes de um sistema rotativo, tendo o suporte de um elemento rotativo como sua principal função. Por trabalharem na interface entre elementos fixos e rotativos, os mancais constituem a origem de grande parcela das falhas ocorrentes em um sistema. Dentre estes, os mancais de rolamento de contato angular estão entre os mais utilizados, principalmente pela indústria automobilística. Apesar da ampla gama de aplicações, esses mancais usualmente estão sujeitos a falhas por fadiga de superfície, o que torna imprescindível um estudo aprofundado dos esforços e das velocidades aplicados às esferas e, consequentemente, às pistas interna e externa. A descrição dos esforços e das velocidades nas esferas é um desafio considerável, uma vez que as esferas estão sujeitas a uma lubrificação elastohidrodinâmica, que por sua vez, depende integralmente dos esforços e das velocidades das esferas para ser modelada, gerando assim um processo iterativo. O principal objetivo deste trabalho é analisar o rolamento de esferas de contato angular, com embasamento teórico na literatura clássica para, em seguida, iniciar o equacionamento do equilíbrio de forças nas esferas e no mancal, o qual por sua vez, resulta na força de contato associada à condição de lubrificação. Para tanto, um programa computacional para simulação numérica das análises cinemáticas e dinâmicas foi desenvolvido e seus resultados comparados com a literatura. Após realizar a validação inicial do modelo com a literatura, uma solução mais completa é proposta para reproduzir de uma forma mais detalhada o que se encontra em aplicações práticas. Os resultados encontrados pelas diversas simulações foram condizentes com os resultados encontrados na literatura clássica, atestando que o programa computacional desenvolvido é consistente Abstract: The bearings are of great importance and its major function is to support a rotating element. Due to the mandatory role of these components in the interface between fixed and rotating elements, the bearings are the source of a great percentage of the possible faults on a system. The rolling bearings of angular contact are one of the most utilized, mainly by the automotive industry. In spite of the great applications field, these bearings are usually subject to damage by superficial fatigue, which makes of great significance the detailed study of the efforts and the velocities on the spheres and, consequently, on the external and internal railways. The description of the efforts and velocities acting on the spheres is a considerable challenge, once the spheres are subject to an elastohidrodynamic lubrication that fully depends on the efforts and velocities of the spheres, generating an iterative process. The main objective of this work is to analyze the rolling bearings of angular contact, under theoretical bases, in order to accomplish the forces balance for the balls and for the bearing, which in turn results in the contact forces associated to the lubrication condition. The analysis requires the development of a computational program to numerically simulate the kinematic and dynamic conditions and, then, some of the results can be compared with the literature. After the initial validation of the model with the literature, a more complete solution is proposed to make it closer to practical applications. Results obtained by several simulations are compatible with those found in theoretical bases, attesting that the computational program developed is consistent Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo deste trabalho é propor um modelo estratégico que sirva de referência para a implementação de Sistemas da Qualidade em Laboratórios. Foram analisados os requisitos da versão DIS da norma ISO 9001:2000 e ABNT ISO/IEC Guia 25 (1993) para definição do modelo estratégico. As normas foram relacionadas de tal forma que o valor agregado ao modelo proposto melhora sensivelmente a estrutura de um Sistema da Qualidade baseado exclusivamente nos requisitos da norma ABNT ISO/IEC Guia 25 (1993). Como o modelo proposto tem um enfoque estratégico, o planejamento das etapas para implementação, controle e melhoramento do Sistema da Qualidade torna-se muito mais eficiente. Os resultado obtidos demonstraram que o modelo é flexível e adaptável. Estas características são de maior importância para futuros estudos sobre modelos de outros Sistemas da Qualidade para outras áreas Abstract: The objective of this work is to propose a strategical mo deI that might be the reference to implement the quality system in Laboratories. The requeriments of NBR ISO 9001:2000 DIS version and ABNT ISO/IEC Guia 25 (1993) have been analysed for defining the strategical model. Consequentely, the requeriments were linked in a way, that the value given to the proposed model improves the structure of the quality system whitch is exclusively based on the requeriments of the ABNT ISO/IEC Guia 25 (1993). Since the proposed model has a strategical focus, the planning of the phases to implement, controls and improve the quality system becomes much more eflicient. The results pointed out that the model is flexible and adaptable. The system proposed is also important for further researches on models of the quality systems in other fields Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: João Mauricio Rosario Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O objetivo desta pesquisa e o desenvolvimento do protótipo de uma mão mecânica com características antropomórficas. A principal finalidade dessa tese de doutorado é projetar e construir uma mão antropomórfica com cinco dedos para pesquisa na área de manipulação. Neste trabalho é proposta inicialmente a fabricação de um mecanismo de um dedo robótico que possui um grau de liberdade (GDL) inspirado na anatomia de um dedo humano, considerando suas restrições e suas dimensões. O estudo cinetostático foi realizado utilizando a metodologia de grupos de Assur. A análise para imitar os movimentos de um dedo é realizada a partir da solução gráfica das posições obtidas pelo dedo mecânico através da utilização de um software comercial de CAD, sendo calculado de modo interativo as forças e reações que são geradas em cada junta e, posteriormente, é implementado um programa de computador utilizando a plataforma MatlabTM, para encontrar a solução desse sistema de equações. O protótipo inicial de dedo mecânico foi equipado com um sensor tipo FSRs (Force Sensitive Resistors) para a medição de força, que consiste de um polímero condutor piezo resistivo, o qual altera o valor de sua resistência ao ser deformado através da aplicação de uma força sobre sua superfície. A inserção da sensação de força é um componente importante para a realização de sistemas robóticos que podem interatuar de forma orgânica com o mundo exterior. Abstract: The objective of this research is to develop a mechanical hand prototype with anthropomorphic characteristics. The main goal of this doctoral thesis is to project and assembly a five fingered anthropomorphic hand for research prehensile tasks. Initially the creation of a one DOF finger mechanical finger inspired on its human counterpart is proposed. the kinetostatic study was achieved by using the Assur groups method. The analysis for mimicking the movements of each finger was done through graphical solutions knowing the positions thanks to CAD software, allowing the calculation of forces and reactions over each joint, and the creation of data for solving the equations through MatlabTM. The first prototype was equiped with a FSRs sensor for force measurements. The force feedback is of great importance when interacting in the real world. Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Os dutos têm se tornado o principal meio de transporte para gás natural, petróleo e derivados nas últimas décadas. Diversos novos projetos, visando a extensão da malha dutoviária atual estão sendo implantados e as dimensões das redes de distribuição de países desenvolvidos mostram que este tipo de modal será cada vez mais utilizado, acompanhando o crescimento do Brasil. Dutovias com tais dimensões requerem esquemas de manutenção adequados, com técnicas otimizadas de inspeção. A falha, em muitos casos, pode levar a desastres ambientais, com conseqüências econômicas e sociais imensuráveis. Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma nova metodologia para a medição de tensões mecânicas em dutos baseada na variação da velocidade de ondas longitudinais criticamente refratadas (ondas Lcr). Como objetivos específicos foram estudadas a influência da temperatura sobre o resultado da medição, a influência da textura do material para dutos e a determinação e validação do método matemático mais adequado para emprego na determinação das tensões. Para a determinação das tensões no duto foi construído um dispositivo especial para movimentar o conjunto de transdutores ao longo dos pontos de medição. Foram realizadas medições na direção longitudinal e transversal do duto e esses levantamentos foram comparados com medidas de tensão determinadas através de extensômetros. Os resultados finais da tese mostraram a excelente correlação entre a tensão aplicada e a resposta do sistema indicando que a técnica pode ser empregada em campo Abstract: Pipelines have become the main transport means for natural gas, petroleum and derivatives in the last decades. Several new projects aiming the extension of the current pipeline mesh are being deployed and the size of distribution networks in developed countries show that this kind of modal will be increasingly used, following the growth of Brazil. Pipelines with such dimensions require proper schedules for maintenance, with optimized techniques of inspection. In many cases a flaw can lead to environmental disasters with economic and social consequences. This work is aimed to develop a new methodology for the measurement of mechanical stress in pipelines based in the variation of the speed of longitudinal critically refracted waves (Lcr waves). A more specific objectives, this study treats with the influence of the temperature on the measurement results, the influence of the texture of the material for pipelines and the determination and validation of the most suitable mathematical method for determination of the stress. For the determination of the stress in the pipeline a special device was constructed to move the set of transducers along the points of measurement. Measurements were performed in the longitudinal and transversal directions of the pipeline and the results were compared with stress measures determined by strain gages. The final results of the thesis showed the excellent correlation between the applied stress and the response of the system indicating that the technique can be employed in field Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital Abstract: The abstract is available with the full electronic document Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho emprega métodos de avaliação dos esforços no contato roda-trilho de vagões ferroviários em uma rotina de simulação, para prever as forças tangenciais de contato. Utilizando essa rotina, foi ainda avaliado como mudanças estruturais no truque ferroviário afetam a dinâmica lateral e a energia de contato em curvas, sendo o último um indicador de fadiga e desgaste tanto das rodas como dos trilhos. É possível ainda prever como alterações de operação, como velocidade da composição, raio da curva e perfil transversal da roda afetam tanto a dinâmica como a energia de contato. O software MatLab foi utilizado para desenvolver a rotina de simulação para que fosse possível haver total liberdade nos parâmetros de simulação, possibilitando uma maior gama de oportunidades na utilizção do mesmo. As principais teorias empregadas foram a teoria do contato Hertziano, a teoria simplificada de Kalker e a mecânica friccional de contato aplicada ao caso ferroviário. Um caso particular analisado foi o emprego de alterações estruturais no truque, como o uso dos dispositivos frame brace e adaptador resiliente de mancal pad, sendo o primeiro responsável pelo intertravamento das laterais do truque, o segundo responsável por permitir maior liberdade entre a lateral e as caixas dos mancais de rolamento. Os resultados mostram que o dispositivo frame brace rapidamente estabiliza as oscilações laterais dos rodeiros após a entrada em curvas, pelo aumento do amortecimento, e aumenta a energia dissipada através do contato. Por outro lado, o dispositivo adaptador de mancal pad reduziu a energia dissipada pelas rodas que estavam sob os maiores esforços de maneira significativa e aumentou, em menor intensidade, a dissipação das rodas sob os menores esforços. Ademais, a diminuição do raio da curva aumenta as amplitudes máximas das oscilações laterais e é responsável por fazer a energia dissipada alcançar níveis considerados de desgaste excessivo. O aumento da velocidade de translação do veículo pode resultar em instabilidades laterais, tanto em trajetos retilíneos como curvilíneos. Porém, o uso dos dispositivos frame brace e adaptador pad são capazes de sustentar a estabilidade lateral em maiores velocidades e, ainda, manter níveis de dissipação de energia que resultam em menor incidência de fadiga e desgaste excessivos nas rodas e trilhos Abstract: In this dissertation, frictional rolling methods to evaluate wheel-rail contact stress are used, in a numerical integration routine, in order to predict railway vehicles tangential forces and assess how different bogie designs affect vehicle lateral dynamics and contact dissipated energy in curves, the last being an indicator of wheel and rail wear. The routine is also used to predict the influence of different operational settings, as vehicle speed, curve radius, wheel conicity profile and adhesion coeficient, on both tangential stresses and dissipated energy. The routine was developed on Matlab\textregistered \space as to ensure total simulation parameters freedom and to stimulate the use and ehancement of the application in the future by other researches. The main theories adopted were the Hertizian theory, Kalker's simplified theory and other mechanical rolling friction contact methods applied to the railway scenario. The particular case of different three-piece bogies designs were studied, especially the implementation of the strutuctural devices frame brace and bearing adapator pad, being the first responsible for interlocking both truck side frames and the last guarantee wheelset axles have freedom to move relative to the side frames. Results show that frame bracing stabilizes lateral oscilations quickly after a curve entry or exit, by improving damping, and increases dissipated energy on the contact. In contrast, the resilient pad adaptor significantly reduces dissipation through wheels that are under greater stresses while augments, in a minor scale, the energy dissipation through wheels under lower stress levels. Furthermore, decreasing curve radius increased maximum lateral oscillation amplitude and was responsible for raising dissipation up to excessive wear rates. Lastly, vehicle speed increase resulted in lateral instability in both curved and straight tracks. However, the use of frame brace and pad adaptor are capable of sustain lateral stability at higher speeds while maintain lower dissipation levels, preventing both fatigue and wear in wheels and rails Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Auteliano A. dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: A objetivo deste trabalho foi levantar e comparar os parâmetros comportamentais dos freios ferroviários de atrito, dos tipos sapata-roda e sapatilha-disco, verificando a possibilidade técnica da utilização do sistema sapatilha-disco em substituição ao sistema convencional sapata-roda para veículos de carga. Os ensaios foram realizados levando-se em conta as condições de segurança relacionado à integridade dos componentes, sob o mesmo carregamento inercial, velocidades e forças de frenagem especificadas na Nonna AAR-M-926/92 para ensaios de sapatas de freio de alto coeficiente de atrito, que satisfazem as exigências encontradas na operação ferroviária corrente. Foi feita a equivalência desses carregamentos para o sistema de freio tipo sapatilhadisco, buscando-se as mesmas condições de frenagem. Foram levantadas curvas de frenagem para cada um desses tipos de freio, no Banco Dinamométrico do DPM/FEM. Procurou-se obter as mesmas distâncias de paradas, obtidas a partir das mesmas velocidades iniciais, para ambos os tipos de freio. Também foram simulados analiticamente e numericamente, através do método de elementos finitos (programa Ansys 6.0), as condições de temperaturas decorrentes das frenagens para disco e roda. Foram ensaiados materiais de atrito comerciais de distintas procedências. A análise dos parâmetros mostrou que é possível intercambiar os sistemas nas condições de frenagem normalizadas, com garantia da segurança Abstract: The objective of this work was to obtain and compare the parameters of the railway friction brakes, both shoe-wheel and pad-disk types, verifying the technical possibility of the pad-disc system to be used in replacement to the conventional shoe-wheel system for freight vehicles, maintaining the safe conditions to components integrity. The conditions were explored under the same inertial loading, speeds and braking forces specified in the AAR-M-926-92 standard for high friction coefficient brake shoes evaluation, which satisfy the requirements for the current railroad operation. The equivalent loading for the pad-disc type brake system was calculated, aiming the same braking conditions. Plots of braking parameters were obtained from the Dynamometric Bench of DPM/FEM for each one of these kinds of brakes, aiming to get the same stop distance from the same initial velocities for both brake systems. The temperature raising was also simulated analytical1y and numerical1y, using the finite elements method (Ansys 6,0 program), for stops tests in disk and wheel. Several friction materials from different origins were tested. The results show that the pad-disk system can be used to replace safely the shoe-wheel actual system for freight car transportation Mestrado Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Helder Anibal Hermini, Jose Manoel Balthazar Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho foi inspirado em aspectos legais, sociais e tecnológicos.O objetivo deste estudo foi desenvolver um dispositivo mecatrônico de acessibilidade, ergonomia e mobilidade em veículos automotivos, considerando pessoas com necessidades especiais. A acessibilidade é um dos fatores crlticos para a inclusão do indivíduo com deficiência no mundo do trabalho e da educação. A contribuição deste trabalho situa-se no incremento da acessibilidade do indivíduo com deficiência, promovendo sua autonomia relativa; isto é, o usuário se locomove até seu veículo, adentra nele, conduz o veículo ao seu destino e o deixa de forma autônoma sem ajuda de outras pessoas. Este trabalho simulou as condições de ergonomia e de interação dos dispositivos de acessibilidade e mobilidade desenvolvidos, com os veículos automotivos, através de simulação computacional dos movimentos dos dispositivos interno e externo ao veículo com o controle lógico implementado. Neste estágio do trabalho encontram-se disponíveis a concepção da idéia, os desenhos, as simulações computacionais e a lógica de controle, necessários para a posterior construção dos dispositivos e sua montagem em veículos automotivos adaptados para a condução por pessoas com deficiências Abstract: This study was inspired by the legal, social and technological aspects of acessibility for handcap people.The purpose of the study was to develope a virtual mechatronic device to acessibility for handcap people.The acessibility is a critical factor for the inclusion of the disabled people in the work and educacional enviroments. The contribution of this study is to help handcap people to have relative autonomy like: moving towards the car, getting in, driving to a destination and getting out by themselves.This study simulate the ergonomic conditions and the devices interaction of the acessibility and mobility, developed whith automotive vehicle through computacional simulations of the intemal and external devices moviments.Through computational simulation, we tested tbe moviments. It was also made the implementation of the controllogic. On this stage of the swdy we provide the concept, the draws, the computation simulations and the logic centrol; necessary parameters for build the devices and its assembly to tbe adapted cars for handcap people Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Técnicas com geração de ondas ultra-sônicas são não destrutivas e são baseadas na dependência da velocidade destas ondas em relação a variação da deformação elástica do material na direção em que elas se propagam ou perpendicular a esta. O presente estudo investigou a possibilidade de aplicação do método ultra-sônico para a avaliação de tensões em juntas soldadas de placas de Aço API 5L X65 e Aço API 5L X70, e para a determinação da relaxação em placas de aço API 5L X70. Para a medição destas tensões foram utilizadas Ondas Longitudinais Criticamente Refratadas (Ler). A sensibilidade dessas ondas é maior quando a tensão de interesse é uniaxial e é aplicada paralelamente à direção de propagação. Dez placas de aço API 5L X65 e vinte placas de API 5L X70 foram ensaiadas para a determinação das tensões longitudinais nas juntas soldadas. Essas placas foram soldadas duas a duas e foram medidas após soldagem e após o alívio de tensões. A diferença foi atribuída às tensões pré-existentes. Os resultados mostram um perfil de tensão residual coerente com a literatura, mostrando uma área de tração na região da solda, tendendo ao valor nulo longe desta. A investigação da relaxação para chapas de aço API 5L X70 mostrou um decréscimo médio da tensão residual ge cerca 350 MPa depois de dezoito dias. Ambas as aplicações mostraram que o método ultra-sônico pode ser utilizado na avaliação de tensões, atendendo plenamente aos objetivos do trabalho Abstract: Techniques with generation of ultrasonic waves are non destructive and are based on the dependence of the speed of these waves in relation to the variation of the elastic deformation of the material in the direction of their propagation or perpendicular to it. The present study investigated the possibility of application of the ultrasonic method to evaluate stresses in welded joints in plates of Steel API 5L X65 and Steel API 5L X70, and to determina te of the stress relaxation in plates of steel API 5L X70. Longitudinal Critically Reftacted Waves (Lcr) were used to measure the stresses. The sensibility of those waves is larger when the stress of interest is uniaxial and the 1000 is applied parallel to the propagation direction. T en plates of steel API 5L X65 and twenty plates of API 5L X70 were tested for the determination of the longitudinal stresses in the welded joints. Those plates were welded in pairs and they were measured after welding and after the stresses relief the difference was attributed to the residual stress. The results show a profile of residual stress coherent with the literature, showing a traction area in the area of the welding, tending to the null value far away ftom this. The investigation of the relaxation for steel plates of API 5L X70 showed a decrease - of the residual stresses of about 350 MPa after eighteen days. Both applications showed that the ultrasonic method can be used in the evaluation of stress, fully assisting to the objectives of the work Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Na medição de tensões residuais com ultra-som, é necessário conhecer a profundidade de propagação da onda. Sem isso, é impossível definir onde a tensão está sendo medida. Neste trabalho, procurou-se uma relação entre características físicas de transdutores piezoelétricos (freqüência de vibração) e a profundidade de penetração de ondas longitudinais criticamente refratadas (ondas Lcr). Primeiramente buscou-se uma base teórica que sinalizasse alguma relação entre a freqüência destas ondas e a profundidade na qual as mesmas se propagam. Depois de definida a teoria, foi estabelecida um procedimento experimental para comprovação prática. Para isto, foi utilizado um tipo de material metálico (aço API 5L X70) no qual ondas longitudinais criticamente refratadas foram excitadas com três diferentes níveis de freqüência (2,25; 3,5 e 5 MHz). Depois das medições realizadas no material, rasgos com diferentes profundidades foram usinados nas amostras metálicas e novamente ondas Lcr foram excitadas nos três níveis de freqüência definidos anteriormente. Os resultados foram comparados e uma relação entre profundidade de penetração e freqüência do transdutor pôde ser obtida. Para qualquer das freqüências, a profundidade de propagação esteve entre 1 e 2 comprimentos de onda Abstract: This investigation describes a model which permits evaluating the local properties during the process of wax formation. To achieve this objective it was necessary to know the local heat and mass transfer coefficient and hence solve the flow, heat and humidity fields. The solution is based upon converting the fields function in terms of the vorticity and stream function. Once the local heat and mass transfer coefficients are determined a two stage model for the wax formation was used to determine the growth rate of the wax layer. The results were then compared with existing numerical and experimental results and good agreement were found. Additional results were obtained to demonstrate the variation of wax density, temperature field and wax thickness. These results were analyzed and commented. The results obtained from this investigation are important in future studies in wax formation as well as in the energy optimization of the dewaxing process Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes Santos Jr Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Mestrado

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Neste trabalho, é feita uma avaliação numérica do efeito da frenagem na vida em serviço de rodas ferroviárias quanto à escamação superficial. É empregado o método dos elementos finitos, com o software ANSYS?.(v18.0), para cálculo de temperaturas, tensões e deformações. Estes resultados são a entrada para a avaliação da vida, implementado em um programa especialmente desenvolvido. As distribuições de temperatura na roda devido ao tratamento térmico no processo de fabricação e devido à frenagem foram calculadas em um modelo bidimensional axissimétrico. As tensões devidas ao contato com rolamento na roda foram calculadas transladando uma distribuição de pressão, calculada pela teoria de Hertz, em um modelo tridimensional da roda. A simulação de rolamento foi feita sob diversas condições de temperatura e distribuições de tensão residual na roda. O histórico de tensões em cada caso foi usado para calcular o número de ciclos até a falha, utilizando o critério de Dang Van. Os resultados mostraram que condições severas de frenagem podem modificar as tensões residuais na roda, o que leva a uma redução da vida em fadiga na região de contato Abstract: In this work, a numerical evaluation of the effect of tread braking on the service life of a railway wheels due to shelling is developed. The finite element method is used, in the ANSYS?.(v18.0) software, to calculate temperatures, stresses and strains. These results are the input to evaluate life on a specially developed program. The temperature distribution on the wheel due to the heat treatment and due to the braking process was calculated on a two-dimensional axissymtric model. The stresses due to the rolling contact were calculated translating a pressure distribution, calculated by the Hertz contact theory, on a tridimensional of the wheel. The simulations of the rolling contact were made on wheels with different states of temperature and residual stresses. The stress history, of each case, was used to calculate the number of cycles until failure by the Dang Van criterion. The results show that severe tread braking can modify the residual stress distribution in the wheel, which leads to a decrease in the fatigue life of the wheel Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Paulo R. G. Kurka Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Esta é uma contribuição ao problema de correção da dispersão que ocorre na região de deformação plástica da curva de tensão-deformação obtida no teste com a barra de pressão Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) ou, teste de compressão com altas taxas de deformação. Utilizam-se funções harmônicas para solução da barra livre assimétrica e, neste caso, a barra livre é considerada como uma região limitada da barra infinita percorrida por pulsos de compressão e tração deslocando-se em sentidos opostos. A ocorrência destes pulsos no tempo é tal que as tensões normais e deslocamentos radiais são nulos nas extremidades da barra. Desta forma, o trabalho das tensões cisalhantes nestas seções é nulo, permitindo satisfazer todas as condições de contorno da barra livre. O emprego desta solução permite a identificação dos pulsos de deformação nas interfaces entre o corpo de prova e as barras do SHPB. A solução analítica da barra livre, através de funções harmônicas, é confirmada pela solução numérica utilizando o método de elementos finitos. O procedimento de obtenção da curva de tensão-deformação envolve duas etapas. Na primeira etapa, para obter o deslocamento devido ao pulso refletido, utiliza-se o vetor dos tempos defasado de uma constante. Esta constante é ajustada por tentativa, sendo considerada adequada quando o deslocamento inicial devido ao pulso refletido é nulo. Isto equivale ao instante em que o pulso incidente atinge a interface entre o corpo de prova e a primeira barra. Na segunda etapa, que consiste na obtenção da tensão no corpo de prova, o vetor dos tempos também é ajustado por tentativa. O ajuste é considerado adequado quando ocorre a convergência entre as regiões elásticas da curva de tensão-deformação deste teste e a curva de tensão deformação do teste quase estático. Com este procedimento, é obtida uma curva de tensão-deformação sem oscilações para um corpo de prova de cobre Abstract: This is a contribution to the problem of correction of dispersion that occurs in the stress-strain curve obtained in tests with the Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), or high strain rate compression testo Harmonic functions are used as solutions ofthe free bar. In this case, the free bar is considered as a limited section ofthe infinite bar, canning compression and tensile pulses moving in the opposite directions. The OCCUlTence of these pulses is such that the tensile stress and radial displacements are null in the extremities ofthe bar. This way, the work done by shear stresses in these sections is null, satisfying alI the ftee bar boundary conditions. With this solution it is possible to identify the strain pulses at bars-specimen interfuces in the SHPB test this analytical solution is confined by the finite element method. The procedure to obtain the stress-strain curve involves two stages. In the first stage, the displacement due to the reflected pulse is obtained. The time is shifted by a constant. This constant is adjusted, to the appropriate condition that the initial displacement corresponds to a null displacement. This condition represents the instant that the incident pulse reaches the bar-specimen interfuce. In the second stage, the specimen stress is obtained. The time is also shifted by a constant. The appropriate condition is reached when the elastic area of the stress-strain curve converges to the stress-strain curve ofthe quasi-static test With the free bar solution and the procedure to obtain the stress-strain-curve described above, the stress-strain curve of a copper specimen is obtained. The stress-strain curve presents a plastic area virtually free of dispersion Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Franco Giuseppe Dedini Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Trens de engrenagens epicicloidais ou trens de engrenagens planetárias (TEP) são sistemas de transmissão de alta complexidade cinemática e de difícil visualização. Entretanto, suas vantagens são enormes: compactos, leves, permitem altas reduções de velocidade, possuem alta confiabilidade pois tem engrenamento permanente, possuem capacidade de bifurcação e adição de potência e permitem múltiplas relações de transmissão. Eles tem diversas aplicações, como redutores industriais e navais, diferenciais automotivos, máquinas operatrizes e transmissões automáticas. Como existe uma grande variedade de possibilidades de configurações na união de vários TEPs, o estabelecimento de formas de representação do sistema em estudo, é fundamental para sua compreensão. Este trabalho apresenta uma introdução com a nomenclatura, a classificação e um breve histórico dos TEPs. Foram também relacionadas as diversas formas de representação, utilizadas por diversos autores, assim como as equivalências e características de cada uma. Também foram feitas as análises cinemáticas e de fluxo de torque para TEPs simples e ligados, valendo-se de representações adequadas para cada caso. Baseado em um esquema proposto sobre as possibilidades de montagens e ligações possíveis de TEPs, foi elaborado o software TEPciclo, objetivando o desenvolvimento de projetos para transmissões automáticas de veículos leves e transmissões com 1 e 2 TEPs ligados. Este programa computacional automatiza a seleção da montagem, posição, número de dentes, calcula as relações de transmissão possíveis e o fluxo de torque Abstract: The Epicyclic Gear Trains - EGTs (or Planetary Gear Trains - PGTs) are complexes kinematic transmission systems and difficult to be understood. Therefore, they have much advantages: they are compact and light, they allow the use of high reduction/multiplication ratios, they have high reliability (due to the pennanent geared), they allow division or sum of power and they have multi transmission ratios. Their main applications are: Industrial and Naval gearboxes and Automatic Transmission gearboxes for modem vehicles. There are a large number of possible configurations when many PGTs are linked, so the representation form is very important to understand their kinematic relations. This work shows the different representation forms used by many authors in the literature

Orientador: Loir Afonso Moreira Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Inicia-se este trabalho com o desenvolvimento de um elemento finito isoparamétrico triangular quadrático, considerando-se a análise de placa e casca a partir de suas superfícies médias. Esta formulação mostra-se eficiente pela sua simplicidade e, principalmente, pela possibilidade de se considerar o efeito das tensões de cisalhamento ao longo da espessura do elemento. Posteriormente, apresenta-se, a partir do elemento isoparamétrico, uma formulação hierárquica baseada no conceito da aproximação do tipo p. Esta formulação resulta em um sistema computacional interessante, visto que em uma reanálise, obtida através do refinamento do tipo p, todos os resultados anteriormente encontrados podem ser reaproveitados. Mostram-se, em seguida, vários exemplos de aplicação da formulação e seus resultados, para placas, cascas e vigas com diversas configurações de carregamento e contorno concluindose, principalmente, que a formulação hierárquica desenvolvida é capaz de diminuir a característica de rigidez excessiva, encontrada, particularmente, nas situações de placas e cascas finas Abstract: This work begins with the development of one isoparametric triangular quadratic element, considering the analysis of plate and shell starting from their mid-surfaces. This formulation proves itself efficient by its simplicity and mainly by the possibility of considering the effect of shear stresses along the thickness of the element. Afterwards, is shown starting from the isoparametric element, one hierarchical formulation based upon the concept of the approximation of type p. The formulation results in an interesting computational system, being that in one reanalysis obtained through the refinement of type p, all the results found before may be reutilized. It is shown immediately, various examples of application of the formulation and its results for plates, shells and beams with many configurations of loading and contour conc1uding, principally, that a developed hierarchical formulation is able to diminish a characteristic of excessive stiffness, found, particularly in situations of thin plates and shells Doutorado Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Olivio Novaski Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Descreve-se um método para expressar a incerteza de medições associadas à realização de um ensaio aeronáutico no Túnel de Vento Subsônico TA-2, do Laboratório de Ensaios Aerodinâmicos - ASA - L, do Instituto de Aeronáutica e Espaço - IAE, do Centro Técnico Aeroespacial- CT A. O formalismo empregado é o recomendado por organizações metrológicas internacionais. É apresentado o procedimento de calibração da balança multicomponente que consiste em empregar o método de regressão multivariada. Os componentes da incerteza padrão, resultantes do ajuste de curva da cahoração, são posteriormente empregados para estimar as incertezas das forças e dos momentos atuantes no modelo que está sendo submetido ao ensaio aerodinânúco. É feita uma comparação entre o método aqui proposto e o utilizado atualmente no TA-2. São também apresentadas as metodologias de medição dos parâmetros do escoamento tais como pressão e temperatura estáticas, dinâmicas e totais, massa específica, velocidade, número de Reynolds e de Mach. As fontes de erro que contribuem para a incerteza da medição são identificadas, e as correções nas cargas aerodinâmicas devido à variação da pressão dinâmica, à posição do modelo e à tara e interferência são aplicadas. São apresentadas as relações funcionais das grandezas medidas, juntamente com as expressões de incerteza combinada, seguindo padronização adotada pela comunidade metrológica internacional. O intuito deste trabalho é contnouir para o desenvolvimento da ciência e das técnicas de medição aplicáveis a ensaios em túnel de vento subsônico. O estudo desenvolvido neste trabalho ajuda o profissional do laboratório a identificar os erros que comprometem os níveis de incerteza exigidos pelo experimento, e serve como um guia de qums procedimentos de medição devem ser adotados para atingir os resultados desejados Abstract: This thesis describes a method to express the uncertainty of measurements associatec with canying out an aeronautical test in the Subsonic Wind Tunnel T A-2, of th( Aerodynamic Testing Laboratory ASA-L. at the Institute of Aeronautics and Space - IAE at the Aerospace Technical Center - CTA The methodology employed is tha recommended by the international metrological organizations. The calibration procedure o the multi-component balance which employs multivariate regression is presented here. Th standard uncertainty components resulting ftom the curve fit are later used to estima te tb uncertainty in forces and moments acting on the model which is being tested. A compariso is made between the method proposed here and that used in TA-2. This document aIs presents the measurement methodology of the flow parameters such as static. dynamic 8IJ total pressure and temperature. density. velocity. Reynolds and Mach numbers. The em sources which contnoutes to the uncertainty of the measurements are stated. TI corrections in the aerodynamic loads due to the variation of the dynamic pressure, to ti position of the model, and to the tare and interference are applied. The functior relationships of the measured quantities are presented, together with the combin expression ofthe uncertainty, in accordance with the standards adopted by the intemational metrological community. The object ofthis study is to contribute to the development ofthe science and the techniques of measurement which are applicable to subsonic wind tunnel tests. The study carried out in this thesis helps the laboratory staff to identify the errors which compromise the uncertainty leveI required by the experimento It serves as a guide as to which measwnent procedures should be adopted to achieve the required results Doutorado Materiais e Processos de Fabricação Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O uso de materiais compósitos estruturais tem se intensificado em diversos setores industriais, com destaque para o setor aeroespacial. O interesse nesses materiais deve-se especialmente às suas características como baixa densidade e alta resistência, mas abrange também a resistência à fadiga, à ruptura e à corrosão. Dentre os tipos de compósitos mais aplicados estão os pré-impregnados de carbono/epóxi, presentes nas estruturas primárias de aeronaves, aquelas de importância vital, em diversos modelos, tanto de aeronaves civis quanto militares. A exigência por alta confiabilidade e segurança nesses componentes exige o uso de métodos de inspeção capazes de identificar falhas e as condições de integridade dos componentes, que são bastante utilizados. Além disso, a propensão à falhas pode ser avaliada pelo estado de tensão no componente. O método de ultrassom é uma alternativa interessante por ser não destrutivo, de baixo custo e fácil manuseio. Pode ser usado para medir tensões empregando a teoria da acustoelasticidade, que relaciona as propriedades elásticas à velocidade da onda de inspeção. Dentre os tipos de ondas que podem ser usadas, a onda ultrassônica do tipo longitudinal criticamente refratada (Lcr) apresenta vantagens por necessitar de acesso a apenas uma superfície e ser pouco afetada por rugosidades e outras não uniformidades superficiais. O presente trabalho propõe um sistema que pode ser usado para a medição de tensão em compósito unidirecional carbono/epóxi empregando ondas Lcr. Para isso, foram avaliados os principais fatores de influência na medição, tais como a temperatura, a força sobre a sonda, a frequência dos transdutores, bem como características do material, como as não uniformidades que são inerentes ao processo de fabricação. A influência de defeitos, como delaminação e ondulação de fibras, também foi analisada. Os resultados mostraram que os fatores avaliados necessitam ser controlados ou conhecidos para menor desvio nos valores medidos. O sistema de medição proposto apresentou variação menor que 3% do valor de ruptura do material quando o valor do tempo de percurso para o estado sem tensão não é conhecido, e 0,75% da tensão de ruptura se o valor do tempo inicial é conhecido Abstract: The use of structural composite materials has intensified in several industrial sectors, with emphasis on the aerospace sector. The interest in these materials is mainly due to their characteristics such as low density and high strength, but it also covers resistance to fatigue, rupture, and corrosion. Among the most applied types of composites are carbon/epoxy prepregs, present in primary aircraft structures, those of vital importance, in several models, both civilian and military aircraft. The requirement for high reliability and safety in these components requires the use of inspection methods capable of identifying failures and the integrity conditions of the components, which are widely used. Moreover, the propensity to fail can be assessed by the state of stress in the component. The ultrasound method is an interesting alternative because it is non-destructive, inexpensive, and easy to handle. It can be used to measure stresses using the acoustoelasticity theory, which relates the elastic properties to the speed of the inspection wave. Among the types of waves that can be used, the ultrasonic wave of the critically refracted longitudinal (Lcr) has advantages in that it requires access to only one surface and is little affected by roughness and other surface non-uniformities. The present work proposes a system that can be used for the measurement of stress in unidirectional carbon/epoxy composite using Lcr waves. For this, the main influencing factors in the measurement were evaluated, such as temperature, the force on the probe, the frequency of the transducers, as well as material characteristics, such as the non-uniformities that are inherent to the manufacturing process. The influence of defects, such as delamination and waviness of fibers, was also analyzed. The results showed that the factors evaluated need to be controlled or known for less deviation from the measured values. The proposed measurement system showed a variation of less than 3% of the material rupture value when the travel time value for the tension-free state is not known, and 0.75% of the rupture stress if the initial time value is known Doutorado Mecânica dos Corpos Sólidos e Projeto Mecânico Doutora em Engenharia Mecânica CNPq, 140771/2016-6

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Um método alternativo para a medição das tensões em componentes em serviço emprega o ultrassom, utilizando ondas longitudinais criticamente refratadas (LCR) e a teoria acustoelástica. Este método é influenciado por diversos fatores, dentre os quais os ligados à microestrutura do material, ainda não modelados. Este trabalho avalia a influência da microestrutura do material na velocidade de propagação das ondas LCR. Foram estudados os efeitos do tamanho dos grãos e da orientação preferencial dos grãos (textura) do material. Para isso, foram ensaiadas amostras de aço carbono de média resistência ASTM A36, laminadas, utilizadas em componentes estruturais. Parte das amostras foi tratada termicamente para crescimento dos grãos em temperaturas variadas, o que permitiu obter diferentes tamanhos de grão. Outras amostras foram utilizadas como recebidas para estudo do efeito da textura do material. O trabalho mostra que ambos, o tamanho dos grãos e a textura, têm efeito sobre a propagação das ondas LCR. Os resultados mostraram um aumento na variação do tempo de percurso médio (?TOF) das ondas LCR com o aumento do diâmetro dos grãos austeníticos médios (DGAM). Como consequência, houve uma diminuição na variação da velocidade da onda LCR média (?VLCR) devido ao aumento do DGAM. Os resultados mostraram também o efeito da direção de laminação (DL) na propagação das ondas LCR, mostrando que o tempo de percurso (TOF) é maior na direção de laminação (DL) do que na direção transversal à laminação (DT). Isso é atribuído ao alongamento dos grãos devido ao processo de laminação. O efeito da textura do material foi associado ao desvio padrão (DP) encontrado e ainda representa um desafio para o emprego do método em aços com orientação cristalográfica pouco definida. Tais resultados permitem direcionar as pesquisas atuais sobre o assunto para o desenvolvimento de técnicas que minimizem os efeitos dos fatores de influência estudados Abstract: Critically refracted longitudinal waves (LCR) and the acoustoelastic theory can be an interesting alternative for measuring stress in components in service. This method is influenced by several factors, among which the ones linked to the material microstructure, not modeled yet. This work evaluates the influence of material microstructure on the LCR waves speed. The effects of grain size and preferred grain orientation (texture) of the material were studied. We tested samples of carbon steel ASTM A36 of medium strength, made from rolled plates, used in structural components. Part of the samples was heat treated for grain growth at various temperatures, generating different grain sizes. Other samples were used as received to study the effect of the material¿s texture. The work shows that both the grain size and texture affects the propagation of LCR waves. The results showed that the increase in variation of the mean time-of-flight (?TOF) of the LCR waves can be related to the increase of the mean austenitic grain diameter (DGAM). As consequence a decrease in the variation of the mean LCR wave speed (?VLCR) is linked to the increase in DGAM. The results also reveals the effect of the rolling direction (DL) in the propagation of LCR waves, showing that the time-of-flight (TOF) is greater in the DL direction than in the transverse direction to rolling (DT). This is attributed to the grain elongation due to the rolling process. The effect of texture was associated with the standard deviation (DP) found. This effect still represents a challenge to the employment of the method in steels with poorly defined crystallographic orientation. The results allow directing the current research on the subject to develop techniques that minimize the effects of influence factors studied Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As técnicas não destrutivas que utilizam ondas ultrassônicas para avaliação de tensões mecânicas se destacam pela sua simplicidade e baixo custo. A medição de tensão por ultrassom utiliza o princípio da acustoelasticidade que relaciona a variação da velocidade de ondas elásticas com a variação da tensão no material. Entretanto, não apenas a tensão influencia a velocidade de onda, mas também a microestrutura do material inspecionado. A influência da microestrutura pode levar a erros de medição de tensão. O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade da utilização de imagens ultrassônicas para avaliar o efeito de variações microestruturais na velocidade da onda ultrassônica longitudinal criticamente refratada (Lcr) utilizada na medição de tensões. As imagens são geradas a partir de sinais obtidos por uma sonda de transdutores estratificados (array) ultrassônicos e aplicando a técnica Total Focusing Method (TFM). Os sinais obtidos com o array contêm reflexões causadas pela microestrutura granular do material que resultam em um ruído no sinal conhecido como ruído de grão. Por esta razão, os sinais e consequentemente a imagem formada contêm informação acerca da microestrutura do material. Neste trabalho foram verificadas as relações entre tamanho e forma de grão, velocidade de onda e intensidade de ruído em imagens de TFM para amostras de aço ASTM A36. A influência da tensão e temperatura nas imagens ultrassônicas também foi analisada. Os resultados mostraram que assim como a velocidade de onda, a intensidade do ruído de grão nas imagens de TFM também sofre influência do tamanho e forma do grão do material. Entretanto, não foram verificadas variações significativas no ruído de grão em função da tensão aplicada e temperatura. Sendo a intensidade do ruído de grão nas imagens sensível somente às variações microestruturais do material, a técnica pode ser empregada para corrigir valores de velocidade de onda para medições de tensão. No trabalho também é proposto um modelo matemático para obtenção de imagens de TFM para uma dada distribuição de grãos. Os resultados obtidos com o modelo mostraram boa concordância qualitativa com os dados experimentais para a frequência de 2,5 MHz Abstract: Non-destructive techniques using ultrasonic waves to evaluate stresses excel for exhibiting simplicity and low cost. Stress evaluation by ultrasound applies the acoustoelastic theory that relates the variation in velocity of elastic waves with the variation in stress in the material. However, not only stress has influence in wave velocity, but also the microstructure of the specimen being evaluated. The microstructure influence can lead to errors in the stress measurement. The aim of this work is to verify the feasibility of using ultrasonic images to evaluate the effect of microstructural variations in the velocity of longitudinal critically refracted waves (Lcr) used in stress measurements. The images are generated from signals obtained with a probe of ultrasonic array applying the Total Focusing Method (TFM). The signals recorded using the array contain reflections caused by the granular structure of the material that creates a noise in the signal known as grain noise. For this reason, the signals and consequently the images formed carry information about the material¿s microstructure. In this work, it was verified the relations between size and shape of grains, wave velocity and noise intensity in TFM images for samples of ASTM A36 steel. The influence of stress and temperature in the ultrasonic images was also verified. The results showed that as for the wave velocity, the grain noise intensity in TFM images are also influenced by size and shape of grains that constitute the material under inspection. Nevertheless, no significant variations were seen in the noise intensity due to the applied stress or temperature changes. Being the noise intensity of the images sensitive only to microstructural variations, the technique presented can be used to correct values of ultrasonic wave speed in the stress evaluations. In this work, it is also proposed a mathematical model to obtain TFM images for a given distribution of grains. The results showed qualitative good agreement between simulated and experimental data for the frequency of 2,5 MHz Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica CAPES 99999.012340/2013-08 FAPESP 2012/25174-9 ; 2013/21616-0 CNPQ P479939/2012-8

Orientadores: Helder Anibal Hermini, João Mauricio Rosario Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Com o avanço tecnológico na área de engenharia mecatrônica, cada vez mais é necessário acompanhar e aperfeiçoar os estudos. Este trabalho pretende apresentar metodologias para integração de células de manufatura robotizadas com ênfase na modelagem e controle de um dispositivo robótico. O modelo do dispositivo em estudo é composto de três graus de liberdade acionados hidraulicamente, o que permite o posicionamento de uma mesa, onde uma peça possa ser trabalhada por dois robôs industriais, constituindo assim um sistema colaborativo de manufatura. São apresentados estudos referentes à modelagem cinemática e dinâmica, e ao cálculo dos parâmetros do sistema de controle utilizando MatLab-SimulinkTM. Foi desenvolvida uma interface em linguagem LabVIEWTM para aquisição e tratamento de informações provenientes dos sensores das juntas e da implementação do sistema de supervisão e controle. A partir da publicação de uma página de aplicação HTML, a célula colaborativa poderá ser disponibilizada na WEB, permitindo a criação de um laboratório virtual, direcionado à pesquisa científica e tecnológica e com possibilidade de se interligar com outros laboratórios de ensino e pesquisa. Isso permitirá, por exemplo, a realização de experiências e ensino à distância, executando tarefas complexas em tempo real Abstract: In recent years, with technological advances in mechatronics engineering it is necessary to monitor and improve the studies of these new trends. This research aims to present a methodology to integrate robotic manufacturing cells with emphasis on modeling and controlling of a robotic device. The model of the device of this study consists of three degrees of freedom, driven hydraulically allowing the placement of a table where a piece can be worked by two industrial robots constituting a system of collaborative manufacturing. Studies are presented concerning kinematic and dynamic models and the calculation of parameters of the control system using MatLab-SimulinkTM. An interface was developed in LabVIEWTM language for acquisition and processing of the information from the sensors of the joints and the implementation of the system of supervision and control. Since the publication of an HTML page, a cell collaborative application may be available on the collaborative WEB allowing the creation of a virtual laboratory directed to scientific and technological research and the possibility to connect with other laboratories for teaching and research. For instance, this will allow carrying out the implementation of distance learning experience and performing complex tasks in real time Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Tese (doutorado) ¿ Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Sistemas automatizados vêm sendo desenvolvidos e empregados a fim de melhorar a qualidade de medição, minimizar custo e o tempo empregados nas inspeções industriais. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema automatizado para medições de tensões utilizando ultrassom. Nele estão detalhadas as características técnicas, os componentes necessários, as vantagens e as dificuldades do sistema. Tal sistema permite a avaliação do componente com tempo reduzido, baixo custo e confiabilidade. A metodologia proposta utiliza o efeito acustoelástico com ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr) para determinar a tensão no material. Foi projetado e construído o protótipo de um robô capaz de permitir rapidez e objetividade ao processo de medição, além de se adaptar a diâmetro de dutos, em uma ampla faixa. Os resultados obtidos para o tempo de percurso das ondas Lcr foram comparados com outros métodos de obtenção da tensão: analítico teórico, método de elementos finitos, extensometria e calculado usando o tempo de percurso das ondas Lcr. Os resultados finais da tese mostram que o dispositivo automatizado pode ser empregado na avaliação de tensões em dutos petrolíferos, atingindo o objetivo principal do trabalho, representando um avanço e contribuindo para o aprimoramento das técnicas de inspeção e monitoramento da saúde estrutural de componentes Abstract: Automated systems have been developed and used to improve the measurement quality, minimizing cost and time employed in industrial inspection. This thesis describes the development of an automated system for measuring stress using ultrasound. The technical features and the necessary components of the system are detailed, as well its advantages and difficulties of implementation. Such a system allows the evaluation of the component with short time, low cost and reliability. The proposed methodology uses the acoustoelastic effect with critically refracted longitudinal waves (Lcr) to determine the stress in the material. It was designed and built a prototype robot that can provide speed and objectivity to the measurement process and adaptation to a wide range of duct diameters. The results for the travel time of the Lcr waves were compared with other methods of obtaining the stress: analytical theory, finite element method, strain gages and calculated using the travel time of the Lcr waves. The final results of the thesis show that the device can be used in automated assessment of stress in oil pipelines, reaching the main objective, representing a breakthrough and contributing to the improvement of technical inspection and health monitoring of structural components Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutora em Engenharia Mecânica

Orientador: Marco Lúcio Bittencourt Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Nesta tese é apresentada uma arquitetura orientada por objetos para Método dos Elementos Finitos de Alta Ordem (MEF-AO) para solucionar problemas de grandes deformações com material hiperelástico em mecânica estrutural. O programa hp2fem foi construído em linguagem de programação MatLab, sendo totalmente modular e facilmente estensível para qualquer tipo de problema. A formulação do problema de grandes deformações foi realizada com auxílio de operadores cinemáticos, de tensões e equações constitutivas. A solução do sistema de equação não-linear for feita através do Método de Newton-Raphson. Apresentam-se resultados para a simulação de problema de grandes deformações usando material neo-Hookeano compressível em problemas 2D e 3D e métodos de alta ordem. Também, problemas de contato e otimização de forma são tratados aqui. Conclui-se que a arquitetura funciona muito bem e que o uso do MEF-AO traz grandes benefícios quanto à taxa de convergência Abstract: This thesis presents an object oriented architecture for the High-Order Finite Element Method (HO-FEM) to solve problems of large deformations in structural mechanics. The software hp2fem was implemented using the Matlab programming language and is fully modular and easily extensible to any problem. The formulation of large deformation considered the kinematic, stress-strain operators and constitutive equations. The solution of nonlinear system equations is performed by the Newton-Raphson method. Results are presented for the simulation of large deformation problem using neo-Hookean compressible material in 2D and 3D problems and the high order methods. Also, contact problems and shape optimization are performed here. It is concluded that the architecture works very well and that the use of the HO-FEM brings great benefits in terms of convergence rate Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho tem por objetivo definir um modelo de carregamento para o calculo de vida em rolamentos de rodas, baseado nas condições reais de esforços característicos das vias no Brasil. Uma analise comparativa entre os modelos de rota atualmente disponíveis na literatura e na pratica foi elaborada e seu efeito sobre a vida do rolamento analisado. O histórico de carregamentos, nas condições reais de percurso, foi levantado para a rota nacional. Os dados foram medidos com extensômetros fixados no rolamento e na suspensão, bem como um acelerômetro fixado na altura do centro de gravidade do veiculo, circulando numa rota utilizada em teste de durabilidade de veículos no Brasil. Os carregamentos foram analisados e comparados com os modelos de carregamentos levantados anteriormente. Apos as analises, adotou-se o modelo de carga mais adequado as condições reais das vias brasileiras para o calculo de vida do rolamento de rodas Abstract: The present work has the objective of defining a load model to estimate the life of wheel bearing, suitable to the conditions of roads in Brazil. A comparative analysis of models of the routes currently available in the literature and practice was conducted and the effect of their loads on the bearing life was analised. A composition of loads extracted from the actual conditions of route was proposed to define the national route. To get the actual loads the data were measured by strain gages fixed in the wheel bearing and the strut body, and also by an accelerometer sensor fixed in the gravity center of the vehicle, circulating in a route used for vehicle durability test in Brazil. The loads were analyzed and compared with the loads previously proposed. After that, a more appropriate load model was adopted to calculate the durability of the bearing for the real conditions of the Brazilian roads Mestrado Dinâmica Mestre em Engenharia Automobilística

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: O trabalho apresenta um método baseado em imagens digitais para a determinação da posição espacial e do volume ocupado por um sólido. O objetivo é conhecer estes parâmetros sem a necessidade da reconstrução tridimensional completa do objeto. A aplicação da técnica proposta é baseada nas projeções da imagem do objeto a ser medido. O processo se baseia na utilização de uma caixa de contorno (bounding box) que pode ser ajustada sobre uma região de interesse na imagem. A posição desta caixa de contorno descreve a orientação espacial do objeto, e as suas dimensões espaciais definem o volume aproximado do sólido. O trabalho propõe um método para ajustar as arestas da caixa de contorno sobre as bordas do objeto, usando como referencial os pontos de fuga que formam os vértices da caixa de contorno. Os vértices formam um conjunto reduzido de pontos e a reconstrução tridimensional destes pontos permite definir um polígono retangular no espaço que representa as informações métricas do objeto real. O contexto do trabalho se situa no campo da visão computacional e processamento de imagens utilizando um conjunto de ferramentas aplicadas à teoria de reconstrução 3D. São apresentados os resultados obtidos da aplicação do método para imagens reais, bem como é descrita uma aplicação do método em um ambiente de manufatura integrada Abstract: This work presents a method based on digital images to determine the spatial position and volume occupied by a solid. The objective is to find these parameters without a complete tri­dimensional reconstruction of the object. The application of this technique is based on the image projections of a solid target. The process is based on a contour bounding box that is adjusted around a region of interest. The box position describes the object spatial orientation and its spatial dimensions can define the approximated volume. The work proposes a method to adjust the contour box lines on the object borders using vanishing points as reference to form each vertex of the bounding box. The vertices form a reduced set of points and the 3D reconstruction of such points can define a rectangular polygon in the space representing the metric information about the real object. The work is within the context of computer vision and image processing by the use of a set of 3D reconstruction tools. Results obtained of the application of this method to real images are presented, as well as an application to an integrated manufacturing process Doutorado Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Helder Anibal Hermini, João Mauricio Rosario Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Indivíduos que apresentam fraqueza muscular severa e padrões de movimento anormal devido a problemas que podem ocorrer em decorrência de um acidente vascular cerebral (AVC), síndrome de Guillian Barre, traumatismos crânio-encefálicos, ou esclerose múltipla exigem a necessidade de órteses exoesqueléticas. Neste trabalho, apresentamos uma proposta de desenvolvimento de uma órtese de membros inferiores com foco no desenvolvimento de produto de baixo custo e compromisso dimensão e peso reduzido. Na literatura, vários métodos têm sido propostos para equilibrar a gravidade que inclui contrapesos, molas e paralelogramos auxiliares. Utilizamos o método híbrido para conseguir a compensação da gravidade durante o movimento da marcha humana, que pode ser usada em estudos clínicos com indivíduos com comprometimento da perna. Nesta dissertação de mestrado combinamos a utilização de paralelogramos auxiliares para localizar o centro de massa do mecanismo, juntamente com molas para conseguir o equilíbrio de cada perna, sendo implementado um modelo virtual em Pro/ENGINEER e análise cinemática e dinâmica do movimento através de simulação em MATLAB/Simulink¿ Abstract: Peoples who have severe muscle weakness and abnormal movement patterns due to problems that may occur due to a cerebral vascular accident (CVA), Guillian Barre Syndrome, traumatic brain injury, or multiple sclerosis, or require the need for orthosis exoskeletic. In this work, we present a proposal to develop a lower limb orthosis with a focus on product development of low cost and commitment size and low weight low weight and low cost. In the literature, a number of methods have been proposed for gravity balancing which include counterweights, springs, and auxiliary parallelograms. We use the hybrid method to achieve the balance of gravity during the movement of human gait, which can be used in clinical studies with subjects with leg impairment. This woks combined the use of auxiliary parallelograms to locate the center of mass of the mechanism along with springs to achieve balancing of each leg and implemented a virtual model in Pro/ENGINEER and analysis of kinematic and dynamic motion simulation using MATLAB/Simulink¿ Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Robson Pederiva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho tem como objetivo estudar a dinâmica de um autotensionador mecânico de correias , construído com mola não linear e sujeito ao atrito seco no contato do pino de apoio com o braço articulado. São apresentados os modelos de atrito mais aceitos, e a equação de Duffing é utilizada para modelar o comportamento não-linear da mola. Dois modelos matemáticos de tensionador são apresentados, sendo um considerando que a força externa é exercida pelos tramos adjacentes de correia, e outro considerando a força externa aplicada diretamente no tensionador. As influências do atrito e do pré-tensionamento são investigadas. A forma do fenômeno stick-slip também é investigada. É proposta uma modificação no modelo de atrito de Kang, com o objetivo de descrever um coeficiente de atrito assimétrico. A combinação de assimetria no atrito e rigidez não-linear também é investigada. Observa-se que a força normal variante, a assimetria no coefi-ciente de atrito e a força de pré-tensionamento são capazes de alterar a forma como o fenômeno stick-slip se apresenta. Por fim, é proposto um método para mapear o comportamento dinâmico do tensionador. Possíveis ocorrências de instabilidade também são investigadas Abstract: This work studies the dynamical behavior of a belt-tensioner pulley, constructed with a nonli-near spring and submitted to dry-friction on the contact of the pin with an articulated arm. Friction models are addressed, and the Duffing¿s equation is used to model the spring¿s nonlinear behavior. Two mathematical models of the belt-tensioner is presented, one considering the external force caused by the adjacent belt spans, and other considering the external force applied directly on the tensioner. The influences of friction and pre-load moment are numerically addressed. The stick-slip behavior of the system is also studied. It is proposed a modification on Kang¿s friction model in order to describe friction asymmetry. The combination of friction asymmetry and nonlinear-spring is addressed. It is seem that the varying normal load, the friction asymmetry and the pre-load moment can change the form that the stick-slip phenomenon occurs. Finally, a method is presented tomap the dynamical behavior of the belt-tensioner. Possible instability conditions are investigated Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica CNPQ

Orientador: Marco Lucio Bittencourt Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Legislações mais severas em relação ao consumo de combustível e a redução na emissão de gases estão fazendo com que os motores de combustão interna operem com pressões de combustão cada vez mais elevadas. Como consequencia destas restrições, os mancais são afetados diretamente. Este trabalho tem como principal objetivo estudar a viabilidade do uso de mancais ativos para o aumento do desempenho dos mancais de motores de combustão interna, principalmente na redução de atrito e desgaste. Um conjunto de simulações numéricas em mancais hidrodinâmicos foi realizada para avaliar a influencia no comportamento do filme de oleo a partir da variação da pressão de injeção de lubrificante e sua posição angular em relação ao mancal. Um segundo conjunto de simulações avaliou a influencia no comportamento do filme de oleo de uma descontinuidade e sua posição angular. Essa descontinuidade pode ser considerada um perfilamento na superficie do alojamento do mancal. Uma terceira e quarta series de simulações avaliaram a influencia da magnitude do carregamento e o seu modo, dinamico ou estatico, no comportamento do filme de oleo de mancais com descontinuidade em seu alojamento. Por fim, a partir dos dados gerados nas simulações e nos princípios sobre mancais ativos, foi possível avaliar a viabilidade técnica do uso destes tipos de mancais em motores de combustão interna, propondo-se uma configuração básica de um novo mancal ativo. Abstract: Severe legislative requirements on fuel consumption and reduction of exhaust emissions require that the internal combustion engines operate with higher combustion pressures. As a result of these restrictions, the bearings are directly affected. The main objective of this work is the feasibility study on using active bearings to increase the performance of internal combustion engines bearings, primarily to reduce friction and wear. Numerical simulations of a hydrodynamic bearing were performed to evaluate the behavior of the oil film due to the variation of the oil pressure injection and its angular position in relation to the bearing. A second set of simulations evaluated the behavior of the oil film due to a discontinuity on the bearing shell and its angular position. This discontinuity can be considered a profile on the bearing shell surface. A third and fourth series of simulations evaluated the behavior of the oil film on a bearing shell with discontinuity, influenced by the magnitude of the load and its dynamic or static mode. Finally, from the data generated in simulations and on active bearing principles, it was possible to evaluate the technical feasibility of using these types of bearings in internal combustion engines. A basic configuration for a new active bearing was proposed. Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Sistemas de freio pneumáticos são usados em aplicações ferroviárias devido o seu adequado custo-benefício nas operações de transporte de carga. Como resultado, vagões localizados no trecho final da composição são freados posteriormente àqueles localizados no início, o que pode induzir a elevadas forças de impacto entre os vagões. A energia é absorvida e dissipada em tais impactos pelos componentes (ou aparelhos) de choque e tração. A modelagem e a simulação do funcionamento de tais aparelhos, portanto, é de grande importância para o estudo da dinâmica longitudinal de composições ferroviárias. O presente trabalho apresenta modelos computacionais para simulação em MATLAB/Simulink® dos esforços nos aparelhos de choque e tração entre vagões, devido à aplicação da carga motriz, frenagem e esforços resistivos ao movimento em composições ferroviárias de carga operantes nas ferrovias brasileiras. Os esforços entre vagões são determinados bem como as condições em que o impacto ocorre, contribuindo para a implementação de rotinas de operação seguras pelos engenheiros e técnicos. Nesse estudo, um perfil de via-permanente ideal é proposto considerando o movimento da composição ferroviária em retas tangentes, aclives, declives e curvas. O modelo consiste de uma composição de 104 veículos conectados por um modelo de aparelho de choque e tração com comportamento histerético e sujeito à ação de forças externas como resistência ao movimento, resistência à curvatura, forças de gravidade e frenagem pneumática. A modelagem do aparelho de choque e tração e a aplicação não linear dos freios influenciam a resposta do sistema dinâmico de forma realística. Finalmente, as previsões do modelo são comparadas com valores obtidos na literatura e em simuladores de composições ferroviárias Abstract: The pneumatic brake system is used in long freight railroad compositions, due to its adequate cost-benefit in train operation. As a result, the cars located at the rear end of the composition experience the braking effects after those located in front, which can induce high longitudinal forces and impact between the cars. This energy is absorbed and dissipated by the coupler and draft gear components, respectively, and, thus, their modelling and simulation are of great importance in the study of railway longitudinal vehicle dynamics. The present work presents computational models for simulation in MATLAB/Simulink® of in-train coupler forces due to application of traction forces, pneumatic brake and propulsion resistance of typical freight railroad compositions of Brazilian railway tracks. The in-train coupler forces are determined as well as the conditions in which the impact occur helping engineers to assess the train operational conditions. In this study an ideal railway track profile is proposed considering the train movement along tangent track, downgrades, upgrades and curving. The model consists of a train composition of 104 vehicles, connected by hysteretic draft gear mechanisms and subjected to external forces such as propulsion resistance, curving resistance, gravity forces and pneumatic braking application. The draft gear model and the non-linear application of the pneumatic brake system influence the dynamic behavior of the railroad composition in a realistic way. Finally, the model predictions are compared to results obtained in the literature and train simulators Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Robert Eduardo Cooper Ordóñez Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na atual situação do mercado, a inovação e a sustentabilidade são consideradas tendências para as empresas que pretendem continuar competitivas. Para oferecer produtos diferenciados as organizações precisam, além de uma capacidade superior de produção (produção flexível com qualidade e produtividade), de um bom desempenho em seu processo de desenvolvimento de produtos (PDP). Analisando a literatura e trabalhos acadêmicos considera-se que são poucos os estudos científicos que discutem a integração entre sustentabilidade e o desenvolvimento de produtos. O objetivo deste trabalho é analisar a adoção de ferramentas e conceitos de sustentabilidade no desenvolvimento de produtos, através de uma proposta de modelo integrado que especifique etapas para facilitar o processo. Por meio da revisão bibliográfica é realizada a seleção de ferramentas de sustentabilidade e a identificação de um modelo especifico que trabalhe de maneira estruturada, o PDP. Em seguida, é feito um levantamento do grau de adoção dos conceitos de sustentabilidade que podem ser inseridos no PDP aplicando um questionário a profissionais de diferentes empresas, pertencentes às áreas de desenvolvimento de produtos e sustentabilidade. Finalmente são apresentados os resultados do levantamento inicial e do modelo de integração a especialistas em sustentabilidade e PDP, tanto da academia como da indústria, que por meio de entrevistas codificadas avaliaram dito modelo. Como principal resultado obtém-se uma análise do grau de adoção da integração de ferramentas e abordagens de sustentabilidade no processo de desenvolvimento de produtos que serve como base para a proposta de um modelo Abstract: In the current market situation, innovation and sustainability are considered trends for companies that intend to remain competitive. To offer differentiated products, organizations need, in addition to superior production capacity (flexible production with quality and productivity), to perform well in their product development process (PDP). Analyzing the literature and academic papers it is considered that few scientific studies discuss the integration between sustainability and product development. The objective of this work is to analyze the adoption of sustainability tools and concepts in product development, through a proposal of an integrated model that specifies steps to facilitate the process. Through the bibliographic review, the selection of sustainability tools and the identification of a specific model that works in a structured way, the PDP, is performed. Next, a survey is made of the degree of adoption of sustainability concepts that can be inserted in the PDP applying a questionnaire to professionals from different companies, belonging to the areas of product development and sustainability. Finally, the results of the initial survey and integration model are presented to sustainability and PDP specialists from academia and industry, who, through coded interviews, have evaluated this model. The main result is an analysis of the degree of adoption of the integration of tools and approaches of sustainability in the product development process that serves as the basis for the proposal of a mode Mestrado Materiais e Processos de Fabricação Mestra em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Bielas falham quando submetidas a esforços que ultrapassam seu limite de escoamento. Esses elementos são projetados para suportar tanto esforços em tração quanto em compressão, embora os últimos sejam mais intensos. Para a criação de novas bielas, engenheiros fazem uso de análises de elementos finitos para validar seus desenhos, mas mesmo assim os desenhos atuais dessas peças seguem os modelos desenvolvidos décadas atrás. A validação das análises computacionais dos modelos é feita através de ensaios destrutivos ou medições e análises do produto em uso regular. Engenheiros de desenvolvimento e de testes seriam muito beneficiados por uma ferramenta de ensaios não destrutivos que possibilitassem validar resultados obtidos numericamente rapidamente e a um custo menor que os ensaios tradicionais. A obtenção de campos de tensão pode ser feita através de diversos métodos, dentre os quais se destaca como o mais amplamente utilizado o uso de strain-gauges. Este trabalho avalia o uso do método de medição de tensões em bielas por interferência de padrões de spekle, também conhecido como Eletronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI). As tensões medidas na região plana da alma da biela são comparadas com resultados de elementos finitos. Essa região corresponde à porção interior da alma, excluindo-se as regiões de borda que possuem uma espessura maior. Baseando-se nos conceitos de delineamento de experimentos - DoE (Design of Experiments), foi feito um planejamento dos experimentos com a finalidade de encontrar uma configuração de medições que elimine, ou ao menos minimize a influência de fatores incontroláveis (ruídos). Os ensaios foram realizados em uma biela forjada submetida a esforços compressivos. Concluindo o trabalho foi mostrado que os campos de tensão obtidos pela técnica ESPI estavam em acordo com os resultados obtidos pelo método de elementos finitos, ressaltando assim a utilidade e os benefícios da aplicação da técnica no desenvolvimento de novos produtos que visam um aumento da segurança em componentes de motores Abstract: Conrods fail when submitted to stresses higher than its yield limit. They are designed to support both compressive and tractive forces, although the first is usually more intense. Engineers use Finite Element simulations to create new shapes, but the main design still follows the one developed several decades ago. The validation of the results is usually performed through destructive tests or field evaluation. Test Engineers and Designers would benefit of a non-destructive tool that would expedite the validation and cost much less than conventional tests. Several possible methods to obtain the stress field of a part might be used, among which the best known and widespread is the use of strain gauges. In this work we evaluate the application of Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) to measure stresses in conrods in substitution to the classical techniques. The measurements are performed in the flat surface of the conrod and the results compared with those from Finite Elements simulations. This region corresponds to the inner portion of the rod body, excluding only the edges of it that are slightly thicker. An experimental design was developed, based mainly on the concepts of Design of Experiments - DOE, to eliminate or at least reduce the influence of the uncontrollable factors (noise) over the results. The tests were performed with a conventional forged connecting rod submitted to compressive efforts. In conclusion, we showed that the measurements of the stress and strain fields obtained by the ESPI technique are in accordance with the simulations and that this technique is a very useful tool for design engineers, improving the safety and reducing the development cycle in engine applications Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O transporte ferroviário é utilizado em todo o mundo devido à sua alta capacidade de carga e a seu baixo custo de transporte. No Brasil, ele é voltado principalmente ao transporte de cargas, sendo o minério de ferro a mercadoria com maior volume transportado. Entender como os vagões se comportam quando estão em movimento é bastante relevante para as operadoras ferroviárias, pois dessa forma é possível determinar formas mais seguras e eficientes de condução. Como parte dos sistemas que compõem veículos ferroviários, o sistema de freio é vital no que se refere à segurança do transporte. Falhas de frenagem podem levar um trem a andar de forma desgovernada ou até a descarrilar, principalmente quando relacionadas a longas composições de carga. Visando ao estudo desse sistema, há diversos softwares no mercado que se propõem a simular a dinâmica (incluindo a frenagem) dos trens, mas nenhum de tecnologia nacional. Como parte do desenvolvimento do Simulador de Operações Ferroviárias da Vale (VTS3D), este estudo tem por objetivo criar modelos computacionais que representem o comportamento em tempo real do sistema de freio em composições ferroviárias de minério. Tem-se por hipótese que a dinâmica do fluido de freio (ar) ao longo do sistema de freio pode ser representada a partir de fluxos unidimensionais, perdas de carga concentradas e componentes simples. O trabalho foi baseado em vagões GDE e foram modelados sistemas de freio baseados em válvulas AB, ABD e ABDX, da Westinghouse Air Brake Company, e componentes associados, tais como encanamento, cilindros e reservatórios. O modelo completo foi implementado em C++, gerando resultados com precisão e acurácia suficientes às necessidades do VTS3D. Esses resultados foram comparados com dados obtidos a partir de softwares comerciais, com concordância altamente satisfatória entre eles Abstract: The railway transport is used throughout the world due to its high load capacity and low transport costs. In Brazil, it mainly focuses on cargo transportation, since iron ore is the highest transported volume merchandise in this country. The comprehension of wagons¿ behavior during movement is very relevant to rail operators, as it allows the determination of safer and more efficient ways of driving. As a part of the systems that compose rail vehicles, the brake system is vital in relation to transport safety. Braking failures can lead to a runaway manner ride or even to a train¿s derailment, especially when it is related to long cargo convoys. In order to investigate this system, there are several software on the market that simulate rail vehicles dynamics (including braking), but none of Brazilian technology. As part of the development of the Vale's Railway Operations Simulator (Simulador de Operações Ferroviárias da Vale - VTS3D), this study aims to create computational models that represent the railway brake system real-time behavior in ore convoys. It is assumed that the brake fluid (air) dynamics along the brake system can be represented using one-dimensional flows, concentrated load losses and simple components. The work was based on GDE wagons and brake systems based on AB, ABD and ABDX valves, from Westinghouse Air Brake Company, and associated components, such as plumbing, cylinders and reservoirs, were modeled. The complete model was implemented in C ++, generating results with sufficient precision and accuracy to the needs of the VTS3D. These results were compared with data obtained from commercial software, with highly satisfactory agreement among them Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica Resumo: Este trabalho propõe um modelo numérico de contato roda-trilho, baseado no método dos elementos finitos, para estimar a vida em fadiga até o surgimento da trinca, e quanto à falha por escamação, de uma roda ferroviária classe C de um vagão de carga de uma ferrovia nacional, de Serra dos Carajás. O modelo tem como principal contribuição à abordagem elastoplástica juntamente com a inclusão das tensões residuais provenientes do tratamento térmico do processo de fabricação da roda. O modelo de elementos finitos utilizou técnicas de submodelagem, tanto na determinação no campo de tensões residuais de fabricação, quanto no de contato roda-trilho. Para efeito de comparação, determinaram-se as tensões e deformações também com um modelo semi-analítico elástico, baseado na teoria de Hertz, além de um modelo numérico elastoplástico sem tensões residuais de fabricação. A vida foi determinada através de dois critérios de fadiga, que incorporam a influencia das tensões hidrostáticas e planos críticos. O critério de alto ciclo de Dang Van foi modificado para adaptar-se ao problema de dois corpos em contato. O outro critério utilizado foi o de Fatemi¿Socie, baseado em deformações cisalhantes. O número de ciclos encontrado para o início da trinca foi então corrigido de acordo com uma distribuição normal estatística da posição lateral do ponto de contato. O trabalho mostrou que as tensões residuais, benéficas para a propagação de trincas, reduzem a vida até o surgimento destas Abstract: This work proposes a wheel-rail contact model based on finite element method to estimate the fatigue life to shelling, until the beginning of the crack of a railroad wheel class C of a heavyhull Brazilian railroad from Serra dos Carajás. The main contribution of this work is the elastoplastic approach with the inclusion of the residual stress generated by the heat treatment of the wheel manufacture process. Submodeling techniques were used to determinate the residual stresses from manufacture process and the contact stresses. Aiming the comparison, the wheelrail contact stresses was calculated using an analytic model, based on Hertz theory, and a numeric model (FEM) without residual stress from the manufactured process. The fatigue life was calculated using two criterions based on critical planes and hydrostatic stresses. The high cycle fatigue criterion from Dang Van was adapted to be used in contact problems. The other one was the Fatemi¿Socie criterion, based on shear strains. The number of cycles until the arising of the fatigue crack was correct using a statistical normal distribution of the lateral position of the contact point. This work shows that the residual stress generated by the manufacture process, which prevents the crack propagation, reduces the fatigue life until the arising of the crack Doutorado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Frequentes mudanças na sociedade, principalmente no que envolve o padrão de consumo, resultam em uma acentuada dependência de fontes de energia para geração de eletricidade. Devido a perenidade da energia elétrica produzida por termelétricas e elevada rapidez com que se constrói sua estrutura física, termelétricas são opções consideráveis para suprir carências energéticas em menor tempo e completar a produtividade de matrizes energéticas limpas. Entretanto, termelétricas alimentadas com combustíveis fósseis produzem uma grande quantidade de resíduos nocivos ao meio ambiente, destacando-se os poluentes que podem ser descritos como emissões aéreas, em especial, os gases de efeito estufa. O aumento desequilibrado dos gases de efeito estufa presentes na atmosfera intensificam o fenômeno natural terrestre, produzindo o que se conhece por "Aquecimento Global". Dessa forma, diversas tecnologias têm sido desenvolvidas para abater, capturar, separar e destinar os gases de efeito estufa. Neste trabalho foi montada e projetada uma bancada de testes com o objetivo de propor e validar um arranjo e experimental e modelo empírico com a tecnologia para o abatimento de dióxido de carbono de gases oriundos de pós-combustão de termelétricas, através do contato deste gás com uma cerâmica susceptora de energia de micro-ondas aquecida até elevadas temperaturas por micro-ondas. Ao final dos experimentos, constatou-se em um dos experimentos que compunham o modelo empírico abatimento de 92,42% do CO2 presente no gás pós-combustão e a construção de um modelo empírico linear com termos cruzado Abstract: Frequent changes in society, especially regarding the pattern of consumption, result in a marked dependence on energy sources for electricity generation. Due to the longevity of electric power produced by thermoelectric plants and the high speed with which their physical structure is built, thermoelectric plants are considerable options to supply energy shortages in a shorter time and to complete the productivity of clean energy matrices. However, fossil fuel-fired thermoelectric plants produce a large amount of environmentally harmful waste, highlighting the pollutants that can be described as air emissions, especially greenhouse gases. The unbalanced increase of greenhouse gases in the atmosphere intensifies the natural terrestrial phenomenon, producing what is known as "Global Warming". Thus, several technologies have been developed to abate, capture, separate and destine greenhouse gases. In this work a test bench was assembled and designed with the purpose of proposing and validating an experimental arrangement and empirical model with the technology for carbon dioxide abatement of thermoelectric post-combustion gases, through the contact of this gas with a microwave energy-absorbing ceramic heated to high microwave temperatures. At the end of the experiments, it was found in one of the experiments that comprised the empirical model abatement of 92.42% of CO2 present in the post-combustion gas and the construction of a linear empirical model with cross terms Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O desenvolvimento de modelos matemáticos que visam simular as características operacionais das máquinas rotativas é importante para representar uma variedade de fenômenos expressivos que se manifestam durante a operação, para tanto é necessário a modelagem dos componentes que caracterizam o comportamento dinâmico do sistema. Este trabalho tem por objetivo determinar os parâmetros físicos que integram os selos de fluxo de folga fixa e angular ao modelo global de sistemas rotativos. As rigidezes e os amortecimentos são obtidos através da solução de equações governantes para líquidos escoando em selos anulares pelo método clássico das perturbações de ordem máxima um e a solução da ordem zero permite demonstrar a variação da pressão e velocidade para as equações de ordem zero. Os resultados obtidos foram validados com os valores apresentados pela literatura. O resultado deste trabalho poderá ser aplicado na modelagem global de uma máquina rotativa, de modo a tornar a análise mais completa do conjunto girante Abstract: The development of mathematical models designed to simulate operational characteristics is important to represent a wide variety of expressive phenomena that manifest during the operation, and therefore it is necessary the components modeling that characterize the system dynamic behavior. This study aims to determine the physical parameters that influence the flow seals to fixed angles and variables in the global rotating systems model. The stiffness and damping are obtained by solving the governing equations for fluid flowing in the annular seals using the classic perturbation method of maximal order one. The zero-order solution allows to demonstrate the pressure and speed variation to zero order. The results were validated with the similar tests reported in the literature. This work results are eligible to be applied to model a global rotating machine in order to make a more complete rotor analysis Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho tem como objetivo apresentar e aplicar uma metodologia que possa ser utilizada nos diagnósticos de falhas, a priori, com causas desconhecidas ou diferentes das já conhecidas, por equipes de desenvolvimento de novos produtos. Esse tipo de falha acontece principalmente quando trata-se de produtos inovadores e ocorrem durante o processo de validação e mesmo após o início da produção. A metodologia se baseia na aplicação de Planejamento de Experimentos em conjunto com Árvore de Falhas para a quantificação das importâncias das causas raiz. Como resultado do trabalho é possível identificar quais parâmetros são os principais candidatos a causadores da falha e hierarquizar as causas. É possível ainda verificar as interações entre as causas, se existirem. A combinação entre métodos proposta pode ser inserida em metodologias de projeto consagradas, como o Projeto para Seis Sigma (DFSS), criando uma nova forma de desenvolver projetos inovadores Abstract: The present work aims to present and apply a methodology that can be used on failures diagnosis, with unknown or different causes from those already known by the development team. This kind of failure happens mainly along the design of innovative products and occurs during the validation process or in the infant life phase. The methodology is based on Design of Experiments, which is applied together with Failure Tree Analysis to quantify the importance of each root cause. From the results of this work it is possible to identify what are the main causes related to the fault and rank them. It is also possible to verify whether there are interactions between the causes or not. The methodology proposed joining both methods can be inserted unusual design methodologies as Design of Six Sigma, creating a new way to develop and improve innovative designs Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Robson Pederiva Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O interesse da indústria automobilística em projetar freios menos ruidosos vem incentivando pesquisas na área de acústica e vibração. A compreensão de um dos principais fenômenos de excitação de vibração em sistemas com atrito, o stick-slip, é de grande importância para o aprofundamento desses estudos, que muitas vezes não consideram uma fonte de excitação bem definida e realimentada, recorrendo a excitações impulsivas ou com frequências aleatórias. O stick-slip é uma vibração auto-excitada que pode ocorrer em um corpo fixo que se atrita com outro corpo que está em movimento, fundamentada na diferença entre o coeficiente de atrito estático e dinâmico. Tendo em vista a aplicação da excitação por stick-slip em vibrações em sistemas de freio, equacionamentos analíticos são propostos nesse trabalho tendo a dificuldade incrementada gradualmente. Um estudo dos efeitos do amortecimento em sistemas com stick-slip é também proposto, apresentando um comportamento que difere de sistemas mecânicos sem realimentação. Com o objetivo de se avaliar esses métodos, realizam-se simulações numéricas e um experimento, que se utiliza de materiais de atrito e disco empregados em freios. Os resultados demonstram a compatibilidade das simulações numéricas e os dados obtidos experimentalmente, o que comprova que os métodos podem ser usados na simulação do problema Abstract: Interest of the automotive industry in designing quieter brakes has encouraged the researches in the fields of acoustics and vibration. Understanding one of the main phenomena of vibration excitation in systems with friction, stick-slip, is crucial to a deeper study. Many a time these studies do not consider a well-defined and fed back source, falling back on impulsive and random excitations. The stick -slip is a self-excited vibration that may occur when a static body rubs against a dynamic one. It is based on the difference between the static and dynamic friction coefficients. Considering the stick-slip excitation in the braking system vibration, analytical equations with continuous incremental difficulties are proposed herein. A study of the effects of damping in stick -slip systems is also proposed, presenting a kind of behavior that is different from that of mechanical systems without feedback. In order to evaluate these methods, an experimental or sometimes numerical simulation is conducted using friction material and discs used in braking systems. The results are in agreement with the experimental data, proving that the methods can be used in simulations of problems Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Uma máquina rotativa é composta por muitos componentes interconectados, que atuam em conjunto e a influência mútua ocasiona uma grande variedade de fenômenos durante seu funcionamento. Os modelos matemáticos visam simular o comportamento dinâmico destes sistemas, com o objetivo de representar uma condição real, e para ser útil na previsão da resposta do sistema. Esse tipo de informação pode ser aplicado na solução de problemas durante a fase de projeto, e, além disso, pode servir como entrada em modelos baseados nas técnicas de diagnósticos de falhas. Neste caso, um modelo computacional robusto permite um "design" otimizado, redução de custos e melhoria da confiabilidade. O objetivo deste trabalho é observar a influência da estrutura de suporte ou fundação no comportamento dinâmico de uma estrutura através dos métodos de impedância mecânica e coordenadas modais, sendo neste último caso, aplicando a redução modal e análise de sensibilidade qualitativa da mesma na influência da resposta dinâmica do sistema. A fundação é responsável pelo suporte do rotor, através da interconexão com os mancais. Os mancais transmitem à fundação, as forças causadas pelo movimento do rotor, como no desbalanceamento e vice-versa. Os modos de vibrar da fundação são excitados no intervalo de freqüência do rotor são também transmitidos através dos mancais de volta ao rotor. O método de coordenadas mistas usualmente considera o amortecimento estrutural proporcional e, portanto, ele representa o sistema em coordenadas modais desacopladas. Assim, foi verificada a igualdade entre os métodos de análise considerando todos os modos; para a combinação de modos reduzidos foi determinado o número mínimo de modos que representam a estrutura de suporte com amortecimento proporcional e não proporcional e a maneira como o amortecimento ficava acoplado ao sistema; e no caso do método das coordenadas mistas com uma fundação experimental de entrada, determinou-se o número mínimo de modos quando acoplados ou desacoplados ao sistema e tipo de amortecimento estrutural da fundação Abstract: A rotating machine is composed by many interconnected components that work together and therefore they influence each other causing a wide range of phenomena during operation. The mathematical models allow to simulate the dynamic behavior of these systems in order to represent the reality, and, then, to be useful in predicting the system response. Such information can be applied to solve problems during the design phase, and, moreover, it can be the input to model based on failure diagnosis techniques. In this case, a robust computational model also enables the design optimization, cost reduction and reliability improvement. The objective of this work is to observe the support structure, or foundation, influence in the dynamic behavior of a structure through the methods of mechanical impedance and modal coordinates, and in the latter case, applying the reduced modal and sensitivity analysis of the same qualitative influence on the system dynamics response. The foundation is responsible for supporting the rotor, through interconnection with the bearings. The bearings transmit the foundation forces caused by the rotor movement, as those due to the mass imbalance, and vice versa. The vibration modes of the foundation are excited in the rotor frequency range also transmitted through the bearings back into the rotor. The coordinate method usually considers the mixed proportional structural damping, and therefore it represents the system in modal coordinates uncoupled. Thus was established the equality between the analysis methods for all modes; for the reduced modes combination was determined the minimum modes number that represent the support structure with proportional damping and non-proportional damping and the way that was connected to the system; and in the case the mixed coordinates method with a experimental foundation input, it was determined the minimum modes number when coupled and uncoupled system and the type of foundation structural damping Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Ligas de alumínio têm sido amplamente utilizadas na fabricação de componentes estruturais que requerem baixo peso, resistência à corrosão e boa resistência mecânica. Como as propriedades de algumas destas ligas são afetadas pelos processos que envolvem mudança de fases, como a soldagem por fusão convencional; técnicas de soldagem em estado sólido têm sido cada vez mais aplicadas. Entre elas, o processo de soldagem por atrito y mistura linear ou FSW (Friction Stir Welding) tem se mostrado como uma alternativa tecnológica para obter juntas de praticamente qualquer liga de alumínio, uma vez que as temperaturas atingidas nesse processo são menores que o ponto de fusão do material. Assim, nos últimos anos, a avalição e caracterização deste processo, principalmente aplicado nas ligas de alumino, tem atraído o interesse de vários pesquisadores. Diversos indicadores podem ser utilizados para avaliar a qualidade das juntas soldadas por FSW; entre eles: a presença de defeitos, mudanças micro-estruturais, alteração de propriedades mecânicas e variações no estado de tensões internas ou tensões residuais, que em níveis inadequados podem levar a falhas em serviço, gerando situações catastróficas. Por esta razão, a determinação da magnitude e distribuição de tensões residuais por métodos não destrutivos é sumamente importante. Este trabalho propõe o desenvolvimento da técnica e a aplicação do método ultrassônico para a medição de tensões residuais produzidas pelo processo FSW em ligas de alumínio 5052 e 7050; e assim, relacionar os parâmetros da soldagem com os resultados obtidos para desenvolver um indicador de qualidade que permita a otimização do processo. O procedimento de medição foi aprimorado neste trabalho e se mostrou eficaz na determinação da distribuição das tensões residuais. Foi demostrado que a magnitude das tensões depende da combinação de parâmetros do processo FSW para cada liga. Na liga 5052, velocidades de avanço e rotação menores produziram níveis de tensão residual maiores e na liga 7050, de maior resistência mecânica, velocidades de avanço maiores geraram tensões residuais mais elevadas Abstract: Aluminum alloys have been widely used to manufacture structural components that require low weight, corrosion resistance, and good mechanical strength. Because the properties of some of these alloys are affected by processes involving phase change, such as conventional fusion welding, solid-state welding techniques have been increasingly applied. The friction stir welding (FSW) process has been shown as a technological alternative to obtain joints of almost any aluminum alloy since the temperatures reached in this process are lower than the melting point of the material. Thus, in recent years, the evaluation and characterization of this process, mainly applied to aluminum alloys, has attracted the interest of many researchers. Several indicators can be used to evaluate the quality of the joints welded by FSW; among them: the presence of defects, microstructural changes, changes in mechanical properties, and variations in the state of internal stresses or residual stresses, which at inadequate levels can lead to failures in service, generating catastrophic situations. For this reason, determining the magnitude and distribution of residual stresses by non-destructive methods is extremely important. This work proposes the development of the technique and the application of the ultrasonic method in the measurement of residual stresses produced by the FSW in 5052 and 7050 aluminum alloys; thus, establishing a relationship between the welding parameters and the obtained results to develop a quality indicator that allows the optimization of the process. The measurement procedure was improved in this work and proved effective in determining the distribution of residual stresses. It has been shown that the magnitude of the stresses depends on the combination of FSW parameters for each alloy. In 5052 alloys, lower feed rate and lower tool rotational speed produced higher residual stress levels, and in 7050 alloys, which have greater mechanical resistance, higher feed rates generated higher residual stresses Doutorado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Doutora em Engenharia Mecânica CAPES 001 FAPESP 2018/18546-3

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Coletores de energia vibracional estão entre as principais soluções abordadas em estudos de viabilização de sensores autônomos. A razão desta é a grande quantia de energia perdida devido a vibrações não desejadas nos sistemas mecânicos, além da sua disponibilidade na natureza. Dentre as muitas questões a serem respondidas, a principal delas é relacionada a melhor configuração para cada aplicação específica. Este trabalho apresenta o estudo de duas estruturas proeminentes, a espiral ortogonal (OSo) e o ziguezague (PZ), propostas como soluções de micro e pequena escala, composta de múltiplas vigas para a coleta de energia. Dois modelos de previsão das estruturas foram construídos os quais possibilitaram estudos de sensibilidade, além de uma otimização sujeita a critérios de vida em serviço. Demonstrou-se ser possível extrair até 4,8 mW a 14,6 Hz com coletores com substrato de 2,2 mm de alumínio, com uma área superficial inferior a 1600 mm². Estes resultados mostraram que a solução tem um grande potencial de aproveitamento para a construção de redes de monitoramento em ambientes com baixa frequência Abstract: Vibrational energy collectors are among the main solutions addressed in autonomous sensor feasibility studies. The reason for this is the large amount of energy lost due to unwanted vibrations in mechanical systems, in addition to their availability in nature. Among the many questions to be answered, the main one is related to the best design for each specific application. This study presents two prominent structures, the orthogonal spiral (OSo) and the zigzag (PZ), proposed as micro and small scale solutions, a multi-beams structure for energy harvesting. Tow prediction models were build and compared, in order to allow a sensitivity study, as well as an optimization bounded to in-service life criteria. It has been shown to be possible to extract up to 4.8 mW at 14.6 Hz with a harvester of 2.2 mm aluminum substrate, with a surface area of less than 1600 mm2. These results showed that the solution has great potential for building monitoring networks in low frequency environments Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Saber o comportamento do sistema de freio é essencial para simular as forças em uma composição ferroviária (locomotiva + vagões). Detalhar o seu funcionamento é particularmente útil para a análise de segurança, otimização de performance, investigação de acidentes, eficiência da malha, etc. A válvula de freio automática é um fundamento da infraestrutura ferroviária e o componente principal usado durante a frenagem. Em composições longas, sua ação é crucial para garantir que o tempo de frenagem dos veículos é curto para evitar choques excessivos nos aparelhos de choque-tração. Em simuladores ferroviários de tempo real o tempo de execução é importante e a complexidade da resposta da válvula é um desafio para os desenvolvedores de programa. A intenção deste trabalho é criar um modelo que possa representar o comportamento da válvula de freio automática de forma precisa e rápida. Para atingir este objetivo são investigados a linearidade do sistema e métodos para a sua adequada representação. Para a abordagem não linear, o trabalho explora redes neurais NARX como caixa preta e o impacto na alteração de seus parâmetros. Um programa que representa a válvula ABDX de freio é elaborado e sua precisão é avaliada em relação ao objetivo e o tempo de execução é comparado com os algoritmos atualmente disponíveis, mostrando uma redução de mais de três vezes no tempo de processamento Abstract: Knowing the behaviour of the brake system is essential to properly simulate the forces within a railway composition (locomotive + freight cars). Detailing how it works is particularly useful on the safety analysis, performance optimization, accident investigation, network efficiency, etc. The automatic brake valve is the mainstay of the rail brake infrastructure and the main component used during the braking. In long compositions, its action is crucial to guarantee that the time until the last car to brake is short enough to prevent shocks in the draft gears. In real- time train simulators, the processing time is important, and the complexity of the valve response is a challenge for the software developers. The intent of this work is to create a model that can represent the automatic valve behaviour in a fast and accurate way. To achieve this objective the linearity of the system and the adequate representation methods are investigated. For the nonlinear approach, the work explores a black box NARX Neural Network and the impact of changing its parameters. A program that represents the ABDX valve is concocted, the accuracy against the target is assessed and the running time is compared with a model currently used in simulators, showing a reduction of more than three in the processing times Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica Funcamp

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: A dinâmica longitudinal de veículos ferroviários é definido como o movimento dos veículos na direção da via. As forças longitudinais internas que ocorrem entre os vagões apresentam efeitos nas direções vertical, lateral e longitudinal dos trens (GARG; DUKKIPATI, 1984). A dinâmica longitudinal de trens tem implicações no conforto, dano nas cargas, estabilidade do veículo, projeto e fadiga do material circulante. Posteriormente, buscou-se entender as forças internas das composições, voltando-se para as falhas de equipamentos e fadiga (COLE et al., 2017). Evidências na indústria ferroviária da Austrália sugerem que falhas nas conexões entre vagões se tornaram a limitação para o desenvolvimento de trens de carga pesada (WU et al., 2016). As forças desenvolvidas no Aparelho de choque e tração (ACT) estão intimamente ligadas aos esforços apresentados nas conexões entre os vagões. As relações dinâmicas dos esforços presentes no ACT podem ser utilizados por interpolações de dados de teste de queda de martelo (TQM). Entretanto, essa abordagem leva a diferentes estimativas de rigidez do mecanismo do ACT (COLE, 1998). Assim, torna-se interessante o uso de modelos matemáticos analíticos que representam o funcionamento do mecanismo do aparelho de choque e tração. Apresenta-se neste trabalho um modelo numérico de um aparelho de choque e tração (ACT). Inicialmente é feita uma revisão de modelagens numéricas utilizadas nas simulações da dinâmica longitudinal de veículos ferroviários. Ainda, é feita uma revisão de abordagens numéricas para simulação de aparelhos de choque e tração. Vantagens e desvantagens do uso de diferentes sistemas de coordenadas e do tratamento das forças do modelo longitudinal na simulação numérica são abordadas. Não só modelagens quase-estáticas dos Aparelhos de Choque e Tração, como também os métodos de transição utilizados entre as curvas de carregamento e de descarregamento deste componente são discutidos. Um modelo quase-estático de um ACT é implementado e ajustado a uma resposta de interesse. Esse modelo é ajustado utilizando simulações de impacto por meio de simulações numéricas utilizando-se o Método de Runge-Kutta de quarta ordem. Após o ajuste do modelo, simulações de manobras de shunting e da dinâmica longitudinal de composições ferroviárias são realizadas para a comparação dos resultados obtidos com uma abordagem por interpolação e com um modelo quase-estático de um ACT que foi implementado neste trabalho. Os resultados indicam que a abordagem por interpolação, que foi utilizada em um trabalho anterior a este que está sendo apresentado, subestima as forças de impacto e superestima os deslocamentos que ocorrem entre os vagões Abstract: The longitudinal dynamics of rail vehicles is defined as the movement of vehicles towards the track. The internal longitudinal forces that occur between the wagons present effects in the vertical, lateral and longitudinal directions of the trains (GARG; DUKKIPATI, 1984). The longitudinal dynamics of trains have implications for comfort, damage to payloads, vehicle stability, design and fatigue of rolling stock. Subsequently, is intended to understand the internal forces of the compositions, turning to equipment failures and fatigue (COLE et al., 2017). Evidence in Australia¿s rail industry suggests that failures in wagon connections have become the limitation for the development of heavy haul trains (WU et al., 2016). The forces developed in draft gears are closely linked to the efforts presented in the connections between the wagons. The dynamic relationships of the forces present in draft gears can be used by drop hammer test data interpolations. However, this approach leads to different estimations of stiffness of the draft gear mechanism (COLE, 1998). Thus, it is interesting to use analytical mathematical models that represent the operation of the draft gear mechanism. It is presented in this work a numerical model of a railway draft gear. Initially a revision of numerical modeling used in the simulations of the longitudinal dynamics of rail vehicles is made. Also, a review of numerical approaches for the simulation of a draft gear is made. Advantages and disadvantages of the use of different coordinate systems and the treatment of the forces of the longitudinal model in numerical simulation are discussed. Not only the quasi-static modeling of a draft gear, but also the transition methods used between the loading and unloading curves of this component are discussed. A quasi-static model of a draft gear is implemented and adjusted to a response of interest. This model is adjusted using impact simulations using numerical simulations with the fourth-order Runge-Kutta method. After adjusting the model, simulations of shunting maneuvers and longitudinal dynamics of train compositions are performed for the comparison of the results obtained with an interpolation approach and with a quasi-static model of a draft gear that was implemented in this work. The results indicate that the interpolation approach, which was used in a work previous of the one that is being presented, underestimates the impact forces and overestimates the displacements that occur between the wagons Mestrado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica Funcamp

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Este trabalho emprega o método de elementos finitos em um modelo numérico 3D para analisar o contato de rolamento entre rodas e trilhos ferroviários. Com as tensões calculadas nessa região, o estudo estima a vida em fadiga até o surgimento da trinca. Tais trincas, quando se propagam, dão origem ao problema de escamação superficial, que é um dos tipos de falhas de importância econômica significativa para as ferrovias. A roda ferroviária classe C é utilizada para este estudo. O modelo tem como principal contribuição à abordagem elastoplástica adicionando as tensões residuais provenientes do processo de tratamento térmico de rodas ferroviárias. O software ABAQUS foi utilizado para a formulação numérica do trabalho, em conjunto com técnicas especialmente desenvolvidas com o objetivo de reduzir o custo computacional sem perder a precisão dos resultados. Para validar os modelos, foi inicialmente desenvolvida uma abordagem elástica, com o modelo analítico de Hertz, além de comparações feitas com trabalhos com modelagens semelhantes. A vida em fadiga da roda até o surgimento da trinca foi determinada por meio do critério de fadiga de alto ciclo de Dang Van-modificado. Os resultados mostraram que, com a hipótese de que o raio da roda não varia durante o rolamento, o fenômeno de acomodação plástica ("shakedown") surgiu em poucos ciclos de carregamento. Com o campo de variação de tensões obtido foi possível estimar a vida de alto ciclo para a roda com e sem tensões residuais do processo de tratamento térmico Abstract: This work uses the finite element method in a 3D numerical model to analyze the rolling contact between railway wheels and rails. With the stresses calculated in this region, the study estimates the life under fatigue until a crack arises. These cracks, when propagated, can give rise to shelling, which is one of the types of failures with significant economic importance for the railroad operation. The Class C railway wheel is employed in this study. The model has as its main contribution the elastoplastic approach, adding residual stresses from the thermal treatment process of railway wheels. The ABAQUS software is used for the numerical formulation in this work, in parallel with specially developed techniques to reduce the computational cost without causing loss of accuracy of the results. The results are compared with the Hertz analytical model and similar works employing elastic approach to justify the use of the chosen mesh. The fatigue life of the railway wheel until the crack arise is determined by of the high-cycle fatigue criterion of Dang Van-modified. With the hypothesis that the wheel radius does not change during rolling, the results show that the shakedown phenomenon arises in a few loading cycles. With the field of stress variation, the high cycle life for the wheel is estimated, both with and without residual stresses from the thermal treatment process Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica CAPES 33003017

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo da vida em fadiga de trilhos ferroviários pela aplicação de critérios de fadiga multiaxial, considerando as tensões residuais devidas às solicitações cíclicas da roda em diferentes posições e sentidos. Para isso, um trilho ferroviário usado para transporte de carga no Brasil foi modelado pelo método dos elementos finitos utilizando o software ABAQUS®. Por meio de aplicações nodais de forças, obtidas analiticamente pelas teorias do contato de Hertz e Linear de Kalker, foi desenvolvido um modelo para o qual foram consideradas as diversas posições do contato de uma roda sobre o boleto do trilho, passando em diferentes pontos e sentidos. Para fins de comparação, um modelo com solicitações referentes a rolamento puro também foi analisado. A fim de obter os esforços que a roda realiza sobre o trilho na forma de forças nodais, foi empregada uma estratégia segundo a qual a malha de elementos finitos gerada no software ABAQUS® é importada por um programa em MATLAB®, onde os esforços foram calculados a cada instante, associados ao nó e exportados novamente para o ABAQUS®. Análises estáticas com aplicações sucessivas de cargas simulando a rolagem de uma roda sobre o trilho foram então feitas. A variação das tensões e deformações dos elementos de uma secção transversal do trilho foi analisada visando a identificação do fenômeno de Shakedown elástico, já que a presença ou não do referido fenômeno norteará o estudo da vida em fadiga. Os tensores de tensão e deformação são entradas para os critérios de fadiga implementados. A metodologia envolveu a aplicação dos critérios de fadiga multiaxial de baixo e alto ciclos para um grande número de pontos de uma secção transversal do trilho, cada um analisado em 144 planos distintos, seguida da eleição do ponto e plano críticos, de acordo com cada critério. Para este ponto e plano, foi feita a estimativa do número de ciclos necessário para a nucleação de uma trinca. Os resultados mostraram que o regime de shakedown é atingido após poucos ciclos. Quando o sentido das passagens da roda é invertido, o shakedown é alterado. Após oito passagens da roda, a estabilização é novamente alcançada, permanecendo inalterada até o fim da simulação, mesmo após novas inversões de sentido das passagens da roda. Assim, foi verificado que quando o trilho foi solicitado por carregamentos, para os quais o regime de shakedown já tenha sido alcançado anteriormente, a estabilização não é afetada. Além disso, as tensões tangenciais influenciaram na distribuição da tensão e deformação equivalentes. Para o caso de rolamento puro, a distribuição das tensões equivalentes apresenta tensões e deformações menores na superfície e máximas a aproximadamente 3 mm de profundidade. Para o caso em que foram consideradas tensões tangenciais, a distribuição de tensões e deformações equivalentes mostrou aumento na superfície e menor número de ciclos necessários para iniciação de trinca por fadiga nesse local Abstract: The current work presents a study of fatigue life of rails by applying multiaxial fatigue models, considering the residual stresses due to the cyclical wheel loads in different positions and directions. For that, a rail of heavy haul railway applications used in in Brazil was modeled using the finite element method and ABAQUS® software. A model was developed by applying nodal forces obtained analytically with the theories of contact of both Hertz and Linear of Kalker. The nodal forces patch represents the rolling passes of the wheel along the rail in different straight lines and directions. For purposes of comparison, a model with pure rolling was also analyzed, in this case always passing in a straight line along the rail. To obtain the nodal forces, the finite element mesh generated in the ABAQUS® software was imported by a program in MATLAB®, where the efforts were calculated at each moment, associated with the node, and exported again for the ABAQUS® as an input. Static analyzes were then made, simulating successive load applications during the rolling of a wheel on the rail. The stresses and strains variation in elements of a cross section of the rail were then analyzed aiming to identify the elastic shakedown phenomenon, since the presence or not of this phenomenon will guide the study of the life under fatigue. The stress and strain tensors, which are inputs to the fatigue criteria implemented, were exported back to the program in MATLAB®. The methodology involved the application of low and high-cycle multiaxial fatigue criteria for a large number of points of a rail cross-section, each analyzed in 144 different planes, followed by the selection of the critical point and plane, according to each criterion. For this point and plane, the number of cycles necessary for crack nucleation was estimated. The results showed that the shakedown is reached after a few cycles. When the direction of the wheel passages is reversed, the shakedown appears again. After eight-wheel passes, the stabilization is once again achieved, remaining unchanged until the end of the simulation, even after further reversals of the wheel passages. Thus, when the rail was requested by loads so that the shakedown regime has already been reached, the stabilization is not affected. Besides, applications with tangential stresses influenced the distribution of equivalent stress and strain. For pure rolling, the distribution of equivalent stresses and strains presents lower stress and strains at the surface, and maximums in depths of about 3 mm. For the case where tangential stresses were considered, the distribution of stresses and strains for all analyzed fatigue criteria, showed an increase close to the surface Mestrado Mecânica dos Corpos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O transporte ferroviário se destaca pela sua alta capacidade de carga e baixo custo por tonelada transportada. O conhecimento do comportamento dinâmico da composição ferroviária ao longo de seu curso é necessário para o desenvolvimento de conduções mais eficientes e seguras. Um dos principais sistemas de controle de velocidade do trem é o sistema pneumático de freio, que pode ocasionar acidentes se utilizado de forma indevida. Por exemplo, se em uma entrada de curva a força de frenagem não for suficiente para reduzir a velocidade do trem, este pode descarrilar. Para a análise desse sistema é necessário conhecer as características do fluido em seu interior em cada componente. Assim, buscou-se desenvolver um modelo matemático que reproduzisse o comportamento do sistema de freio de composições ferroviárias de carga em todas as suas etapas de funcionamento, que são carregamento, alivio, aplicação e emergência. Para isso, estudou-se o comportamento do fluído (ar comprimido) dentro do encanamento geral do sistema de freios ferroviários e seu conjunto de válvulas, visando modelar seus acionamentos e aplicações devido a variações das características do escoamento em sua entrada. Foram desenvolvidos modelos utilizando as equações conservativas que regem os escoamentos compressíveis com as devidas simplificações, junto com a aplicação de um método numérico que focado no aspecto físico do problema, o método de volumes finitos. Além disso, foram criados modelos lógicos compostos por componentes pneumáticos simples, que têm a função de representar as variações dos fluxos de fluido pelo sistema de freio pneumático. O modelamento foi escrito em linguagem C++, com o intuito de obter uma alta taxa de geração de resultados. Isso permite sua utilização em um simulador em tempo real, capaz de representar o comportamento do sistema de freio pneumático ferroviário e servindo de suporte para treinamento de operadores e projetos logístico-ferroviários. Os resultados obtidos mostram o comportamento da pressão do fluido em cada componente do sistema de freio e como cada um destes está vinculado com o seu adjacente, de modo que é possível observar curvas de pressão distintas e especificas para cada operação. Esses resultados foram comparados com as respostas de um simulador comercial. As respostas do modelo divergiram alguns segundos nos tempos de estabilização de pressão, mas seu comportamento transiente foi similar a resposta do simulador comercial. Pode-se concluir, que o grau das divergências entre as respostas não causava interferência significativa no comportamento macro do sistema e consolidava o modelo como um método adequado de simulação do sistema de freio pneumático ferroviário Abstract: The railroad transportation stands out for its high load capacity and cost per ton transported. Knowledge of the dynamic behavior of train composition throughout its course is necessary for the development of more efficient and safe driving. One of the main control systems of the train is the pneumatic brake system, which can cause accidents if used improperly. For example, if the value of the brake force was not enough to reduce the velocity of the train in the entrance of a curve, it could derail. For the analysis of this system, it is necessary to know the characteristics of the fluid in its interior in each component. Thereby, this work sought to develop a model to reproduce the behavior of the freight train¿s brake system in all its working stages, which are supply, brake release, application and emergency application. Therefore, the behavior of the fluid (compressed air) inside the brake system¿s brake pipe and set of valves was studied, aiming to model the actuation and application due the characteristics variation of the inlet flow. Models were developed using the conservative equations that govern the compressive flow with its necessary simplifications, together with a numerical method focused on the resolution by the physics aspect, the finite volume method. Besides that, it was created logical models composed of simple pneumatic components, which has the function to represent the variations of fluid flows by the pneumatic brake system. The modeling was written in C++ language, in order to obtain a high rate of results generation. This allows its use in a real-time simulator, capable of representing the behavior of the railway pneumatic brake system and serving as support for operator training and logistical-rail projects. The obtained results show the behavior of the fluid pressure in each component of the brake system and how each of them is linked with its adjacent, so that it is possible to observe different and specific pressure curves for each operation. These results were compared with the responses of a commercial simulator. The responses of the model diverged a few seconds in the pressure stabilization times, but its transient behavior was similar to the commercial simulator response. It can be concluded that the degree of divergence between the responses did not cause significant interference in the macro behavior of the system and consolidated the model as an adequate method of simulation of the railway pneumatic brake system Mestrado Mecânica de Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica