EE - Escola de Engenharia
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- ItemSimulação numérica do processo de soldagem MIG/MAG multipasse de topo em chapas de aço inoxidável 304L utilizando a técnica element birth and death(2015) Farias, Rodrigo Martins; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasOs processos de soldagem envolvem fenômenos físicos e químicos muito complexos e, por isso, difíceis de serem modelados matematicamente. Embora os efeitos térmicos, mecânicos e metalúrgicos acoplados sejam importantes, na maioria dos casos são encontrados bons resultados considerando modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor e nas que governam o comportamento estrutural do material. De modo geral, o campo térmico é independente do estrutural, permitindo que as soluções sejam realizadas em sequência, sem necessidade de acoplamento. As análises mais adequadas dos processos de soldagem com deposição de material utilizam a técnica denominada de element birth and death, a qual considera a ativação dos elementos pertencentes ao cordão de solda em uma malha de elementos finitos a medida que a fonte de calor se movimenta. Neste trabalho, são apresentadas análises numéricas de soldagem de topo multipasse, com chanfro em V, de chapas de aço inoxidável AISI 304L através do processo MIG/MAG convencional. As chapas possuem 9.6 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. As simulações numéricas foram realizadas no software ANSYS c Multiphysics, considerando as transferências de calor na superfície da poça de fusão, e propriedades do material como dependentes da temperatura, tanto na simulação térmica quanto na mecânica. A fonte de calor móvel é do tipo Gaussiana de área. Os formatos da zona de fusão, ciclos térmicos e distorções finais da peça obtidos dos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem (LAPES – FURG) são comparados com os resultados das simulações numéricas. Um dos inconvenientes da simulação da soldagem multipasse é o fato de que os elementos pertencentes aos passes intermediários têm suas fronteiras vizinhas aos elementos dos outros passes, sendo impedidos, dessa forma, de contemplar os efeitos de transferência de calor para o ambiente. Assim, comparou-se os resultados de dois algoritmos: o primeiro que adota o método clássico, onde ocorre o impedimento destas transferências para o ambiente nos passes intermediários, e outro que considera estes efeitos na superfície do cordão de cada passe. Observou-se diferenças nos resultados pelo uso dos dois algoritmos, concluindo-se que estes efeitos térmicos são importantes na região de deposição de material. Na etapa mecânica foram simulados os campos de distorções e tensões residuais, sendo as distorções comparadas com os experimentos e as tensões comparadas com os comportamentos típicos esperados para chapas soldadas. Obteve-se razoável aproximação para o campo de distorções e foram encontrados comportamentos trativos e compressivos para as tensões residuais nos locais esperados. Ao final são sugeridos diversos tópicos que merecem destaque para pesquisas futuras sobre as simulações dos processos de soldagem com arco elétrico.
- ItemAnálise numérica do processo de soldagem GTAW com deflexão magnética em aços baixo carbono(2016) Clain, Fernanda Mazuco; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasA técnica do tecimento em soldagem tem sido largamente utilizada tanto para melhorar a eficiência do processo como a distribuição do aporte térmico. O tecimento via deflexão magnética do arco é uma técnica desenvolvida há alguns anos que permite oscilação da poça fundida provocando o refinamento do grão e melhoria nas propriedades da junta soldada. Para esse tipo de processo, a simulação numérica se constitui em uma grande dificuldade, já que os modelos numéricos até então propostos apresentam boa precisão apenas para casos em que a tocha é perpendicular ao plano de soldagem. Este estudo visa o desenvolvimento de modelos numéricos para a imposição de calor, que contemplem os efeitos da deflexão do arco para processo de soldagem GTAW autógeno em aço de baixo carbono. Primeiramente, soldagens experimentais com uma inclinação fixa do arco ao longo do processo causadas por deflexão magnética são comparadas com aquelas provocadas pela inclinação da tocha (com o mesmo ângulo de inclinação causada pela deflexão magnética) e com a tocha perpendicular ao plano de soldagem. Os resultados mostraram que ambas as soldagens com deflexão do arco apresentam efeitos semelhantes, podendo ser modelados numericamente da mesma forma. Após, dois modelos de fonte de calor para arcos defletidos são propostos. Simulações numéricas são feitas usando os dois modelos propostos, com uma inclinação fixa ao longo do processo de soldagem e com a tocha perpendicular ao plano de soldagem. Os resultados são comparados aos resultados obtidos experimentalmente para os mesmos casos. São analisadas as temperaturas em três diferentes pontos da parte inferior da chapa, dois afastados da linha de centro de soldagem e um central, e as poças de fusão para chapas de aço SAE 1020 de 3,2 mm e 6 mm de espessura. Depois, são feitas simulações de soldagem com tecimento, utilizando os dois modelos propostos e comparando os resultados a resultados de um trabalho encontrado na bibliografia. Nas soldagens com a deflexão do arco constante, as seções transversais do cordão apresentaram uma assimetria, assim como a distribuição de temperaturas nas chapas soldadas. De maneira geral, os resultados obtidos nas simulações são bem próximos aos resultados experimentais, tanto para o caso com deflexão constante do arco, como para o caso com tecimento, para os dois modelos propostos.
- ItemModelagem numérica do campo de temperatura em uma junta soldada utilizando fonte de calor volumétrica(2016) Machado, Thiago da Silva; Cunda, Luiz Antônio Bragança daA utilização dos métodos numéricos para avaliar o comportamento dos fenômenos envolvidos nos processos de soldagem tem se tornado uma forte ferramenta na área da fabricação mecânica. Apesar da complexidade desses fenômenos, os modelos computacionais atuais permitem uma ótima aproximação de resultados quando comparados a resultados experimentais. O método dos elementos finitos é a técnica mais comum utilizada para análises envolvendo processos de soldagem, que por sua vez, acoplam os efeitos térmicos, mecânicos e metalúrgicos simultaneamente. Apesar da importância da análise simultânea desses fenômenos, de modo geral, não há uma dependência entre a análise térmica, que apresenta modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor, e a análise estrutural. Sendo assim, as análises podem ser realizadas em sequência sem a necessidade de acoplamento. Este trabalho tem por objetivo a modelagem do campo de temperaturas em uma junta soldada utilizando fonte de calor volumétrica. No presente trabalho são apresentadas simulações numéricas de uma junta de topo, com chanfro em V, de chapas de aço AISI 304L soldadas pelo processo GMAW. As simulações foram realizadas no software ABAQUS Simulia®, onde se movimentou uma fonte de calor volumétrica através de uma chapa medindo 200 mm de comprimento, 50 mm de largura e 9,5 mm de espessura. Para fins de validação do modelo térmico proposto, foi realizado um estudo comparativo com os resultados numéricos e experimentais obtidos pelo Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem da Universidade Federal do Rio Grande durante a execução do projeto PRONEM/FAPERGS. Neste comparativo comprovou-se a eficiência da aplicação da fonte de calor volumétrica para solução de problemas envolvendo processos de soldagem. No intuito de melhorar os resultados obtidos, foram propostas variações nos parâmetros geométricos da fonte de calor volumétrica.
- ItemAnálise numérica da propagação de ondas na costa do Rio Grande do Sul entre Torres e Mostardas(2008) Silva, Jair Vignolle da; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Calliari, Lauro JúlioO objetivo deste trabalho é o analisar numericamente a variação de energia de ondas nesta região, investigando a influência das variações da largura da plataforma interna e da largura de antepraia, e da fricção com o fundo nos processos morfodinâmicos costeiros, usa-se como ferramenta de processamento o programa REF/DIF1 (Kirby e Darlymple, 1994). Os resultados considerando um coeficiente de atrito fw.=.0,01, usado no código do REF/DIF1, foram comparados com os obtidos sem a presença do atrito, observando-se pouca influência do atrito com o fundo sobre a transformação das ondas. Adotando-se um coeficiente de atrito de fw.=.0,2, constatou-se, de forma geral, que a influência do aumento da largura da antepraia do sul de Pinhal para o norte no atrito com o fundo é compensada pela influência da diminuição da largura da plataforma continental interna.
- Item3D numerical analysis about the shape influence of the hydro-pneumatic chamber in an oscillating water column (owc).(2015) Isoldi, Liércio André; Grimmler, Juliana do Amaral Martins; Letzow, Max; Souza, Jeferson Avila; Gomes, Mateus das Neves; Rocha, Luis Alberto Oliveira; Santos, Elizaldo Domingues dosThe oceans represent one of the major energy natural resources, which potentially can be used to supply the World energy demand. In the last decades some devices to convert the wave ocean energy into electrical energy have been studied. In this work the operating principle of an Oscillating Water Column (OWC) converter was analyzed with a transient 3D numerical methodology, using the Finite Volume Method (FVM) and the Volume of Fluid (VOF) model. The incident waves on the OWC hydropneumatic chamber cause an oscillation of the water column inside the chamber producing an alternate air flow through the chimney. The air drives a turbine that is coupled to an electric generator. The aim of this work was to investigate the shape influence of the hydro-pneumatic chamber geometry in the air flow. For this, six cases were studied in laboratory scale and the results showed that the variation of the OWC chamber shape can improve 12.4% the amount of mass air flow.
- ItemSimulação numérica de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante: comparação de dois códigos numéricos(2010) Conde, José Manuel Paixão; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Didier, Eric LionelNeste artigo apresentam-se os resultados da aplicação de dois códigos numéricos na simulação de um dispositivo de aproveitamento da energia das ondas do tipo coluna de água oscilante. Um dos códigos (FLUINCO) é baseado na técnica dos elementos finitos e o outro (FLUENT) na técnica dos volumes finitos. O objectivo do trabalho consiste na validação destes códigos para este tipo de escoamento, com o intuito de os aplicar de forma sistemática no projecto de sistemas de aproveitamento de energia das ondas. O caso simulado, que corresponde a um modelo simplificado testado experimentalmente, permitiu concluir da boa qualidade dos resultados obtidos, existindo uma boa correspondência entre os resultados experimentais e os obtidos pelos códigos numéricos.
- ItemApplicability of the gaussian distribution heat source model to the thermal simulation of welding processes(2013) Araújo, Douglas Bezerra de; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Cunda, Luiz Antonio Bragança daWelding processes are considered a thermal-mechanical-metallurgical coupled issue. The most important boundary condition in the thermal analysis is the heat source model. Although many studies have been carried out to propose different types of heat source models, the limitations of each model application have not been clearly specified. The Gaussian heat source is a model in which heat is generated over a surface; therefore, it may not be suitable to be applied to thick plates. In this study, the accuracy of the Gaussian heat source model is investigated in bead-on-plate welding by the TIG process. Analyses are performed by the ANSYS® software, considering the convection and the radiation phenomena. Several cases with different parameters of heat distribution, heat input and plate thickness have had their weld pool geometries analyzed and compared with those obtained experimentally. Analyses of the influence of the radial distance from the center of the Gaussian heat source and the thickness of the plate on the bead width and the penetrated depth of the fusion zone boundary are presented. Results have shown the adequacy and the limitations of the Gaussian heat source model in the welding simulation.
- ItemEstudo de metodologias para análise numérica do campo de temperatura no processo de soldagem MIG em chapas de aço inoxidável AISI 304L(2014) Farias, Rodrigo Martins; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Araújo, Douglas Bezerra deOs processos de soldagem em chapas envolvem fenômenos físicos e químicos muito complexos e, por isso, difíceis de serem modelados matematicamente. Embora os efeitos termo-mecânico-metalúrgico acoplados sejam importantes, na maioria dos casos são encontrados bons resultados considerando modelos numéricos baseados nas equações da transferência de calor e nas que governam o comportamento estrutural das chapas. De modo geral, o campo térmico é independente do estrutural, permitindo que as soluções sejam realizadas em sequência (térmicoestrutural), sem necessidade de acoplamento. As análises mais adequadas dos processos de soldagem com deposição de material usam a técnica denominada de “element birth and death”, a qual considera a ativação dos elementos pertencentes ao cordão de uma malha de elementos finitos a medida que a fonte de calor se movimenta. Neste trabalho, são apresentadas análises numéricas de soldagem de topo multipasse, com chanfro em V, de chapas de aço inoxidável AISI 304L através do processo MIG convencional. As chapas possuem 9,6 mm de espessura, 200 mm de comprimento e 50 mm de largura. As simulações numéricas são realizadas no software Ansys Multiphysics®, considerando os fenômenos de convecção e radiação, e propriedades térmicas do material (condutividade térmica, calor específico e massa específica) como dependentes da temperatura. A fonte de calor móvel é do tipo Gaussiana. Os formatos da poça de fusão, obtidos dos experimentos desenvolvidos no Laboratório de Pesquisa em Engenharia da Soldagem (LAPES – FURG) são comparados com os resultados das simulações numéricas. Um dos inconvenientes na aplicação da técnica element birth and death é o fato de que os elementos pertencentes aos passes intermediários têm suas fronteiras vizinhas aos elementos dos outros passes, sendo impedidos, dessa forma, de contemplar os efeitos de radiação. Assim, comparou-se os resultados de dois códigos: o primeiro que adota o método clássico, onde ocorre o impedimento de radiação para os elementos pertencentes aos passes intermediários, e outro que considera os efeitos de radiação no processo. Observou-se diferenças nos resultados pelo uso dos dois algoritmos, concluindo-se que os efeitos de radiação são muito importantes na região de deposição de material.
- ItemSimulação numérica da ação de ondas sobre um dispositivo de captação de energias das ondas do tipo coluna de água oscilante(2011) Davyt, Djavan Perez; Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Ramalhais, Rúben dos Santos; Didier, Eric LionelNeste trabalho é analisado um dispositivo de extração de energia das ondas do tipo coluna de água oscilante sob a ação de ondas regulares de diferentes períodos. São realizadas variações no comprimento submerso da parede frontal e no comprimento da câmara. Para tal é utilizado o código numérico FLUINCO, o qual é baseado nas equações RANS e a discretização é realizada utilizando o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos. Uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária (ALE) é utilizada para permitir a solução de problemas que envolvem movimentos da superfície livre. Alguns resultados são comparados com os obtidos utilizando o programa FLUENT. São apresentados a amplificação (relação entre a altura da onda incidente a e dentro da câmara), distribuição das velocidades e vetores de velocidade.
- ItemNumerical simulation of an oscillating water column device using a code based on Navier-Stokes equations(2013) Teixeira, Paulo Roberto de Freitas; Davyt, Djavan Perez; Didier, Eric Lionel; Ramalhais, Rúben dos SantosThe study of ways of converting ocean wave energy into a useful one and the improvement of the existing equipment are complex engineering problems and very important issues in today’s society. In this paper, the onshore oscillating water column device, in a 10 m deep channel subjected to 1 m high incident wave and wave periods from 4 s to 15 s, is investigated. The numerical analyses are carried out using Fluinco model that deals with incompressible flow problems based on the Navier-Stokes equations and employs the two-step semi-implicit Taylor-Galerkin method. An aerodynamic model is implemented in the algorithm to determine the air pressure that is imposed on the free surface. Analyses are divided into two sections. In the first section, the flow variables obtained by Fluinco and the commercial model Fluent are compared and similar results are obtained. In the second section, an investigation of the chamber geometry and turbine characteristic relation that provide the best device performance is carried out. In this case, variations in the front wall depth, the chamber length, the turbine characteristic relation and the chamber height, are made.