EE- Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica
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Resultados da Pesquisa
- ItemSimulação numérica e design construtal aplicados a placas com enrijecedores longitudinais e transversais com diferentes relações altura/espessura(2019) Nogueira, Carolina Martins; Isoldi, Liércio AndréPlacas finas de aço com enrijecedores são amplamente utilizadas em estruturas navais, na construção civil e aeronáutica. Essas placas têm como característica o seu baixo valor de espessura em relação às demais dimensões. Um parâmetro de análise fundamental é a deflexão desta placa quando sujeita a um carregamento. No caso desta pesquisa, em que se estudam placas retangulares com enrijecedores sujeitas a uma carga transversal uniformemente distribuída, o cálculo analítico é complexo e limitado a casos específicos mais simples. Assim, foi necessária a utilização de soluções numéricas para a determinação da flecha após a deformação. Essas simulações numéricas foram realizadas através do software ANSYS®, que emprega o Método dos Elementos Finitos (MEF). Os modelos numéricos utilizaram o elemento bidimensional SHELL281, de oito nós, com malha regular gerada a partir de quadriláteros. A obtenção das diferentes configurações geométricas analisadas foi determinada através do uso do Método Design Construtal, que transformou 30% do volume da placa de referência (sem enrijecedores) em enrijecedores dispostos na direção longitudinal e transversal da placa. Nesta transformação os valores de largura e comprimento da placa foram mantidos constantes. Essas diferentes configurações geométricas foram simuladas numericamente, sendo possível, então, a análise da influência dos parâmetros geométricos (número de enrijecedores na direção longitudinal e transversal, espessura do enrijecedor e relação entre a altura do enrijecedor na transversal e altura do enrijecedor na longitudinal) nas deflexões máximas e centrais da placa. Os resultados obtidos indicam que adição de enrijecedores acarreta em uma melhora no comportamento mecânico em relação à deflexão em todos os casos. Além disso, foi observado que o aumento na altura dos enrijecedores transversais é mais relevante do que dos longitudinais, conduzindo a uma maior diminuição da deflexão da placa no que tange aos deslocamentos máximo e central. A geometria otimizada resultou em uma redução de 97,92% na deflexão máxima e 98,81% na deflexão central em relação à placa de referência não enrijecida.
- ItemEstudo numérico aplicado à melhoria do comportamento mecânico de placas finas de aço com enrijecedores submetidas à flexão(2017) Ramos, Alexandro Pereira; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são elementos estruturais amplamente empregados em engenharia e especialmente em estruturas navais e offshore. Isso se deve ao fato de que estes componentes são capazes de resistir mecanicamente aos esforços que são submetidos possuindo um peso relativamente baixo. O estudo das placas finas de aço sob flexão sempre foi um problema complexo. A quantidade de variáveis que são consideradas na resolução de problemas de engenharia envolvendo placas retangulares excede o número de equações disponíveis para a solução analítica, impossibilitando a obtenção de resultados exatos. Nesse contexto, o presente trabalho analisou numericamente o comportamento mecânico de uma placa fina de aço, quadrada, sob flexão, simplesmente apoiada nos quatro lados, inicialmente sem enrijecedores, sendo seus valores máximos de deslocamento transversal e de tensão de von Mises usados como referência. Na sequência, empregou-se o parâmetro de fração de volume dos enrijecedores (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores e o volume total do componente estrutural placa/enrijecedores. Então, foi adotado φ = 0,50 e a placa de referência (sem enrijecedores) teve o material referente à metade de sua espessura transformado em enrijecedores, sendo preservadas as medidas de comprimento e largura da placa de referência. Dessa forma, o volume de aço usado na placa sem enrijecedores foi o mesmo utilizado na placa de referência, o que permitiu avaliar a influência do número, disposição e dimensões dos enrijecedores no comportamento mecânico da placa submetida à flexão. Então, tendo como objetivo, minimizar o máximo deslocamento transversal da placa e minimizar a máxima tensão na placa, diferentes configurações de enrijecedores longitudinais e transversais, foram comparadas entre si e com a placa de referência, visando determinar qual configuração geométrica, dentre as avaliadas, conduz ao melhor comportamento mecânico. Para tanto, o grau de liberdade he/te, que relaciona a altura do enrijecedor (he) e sua espessura (te) foi considerado, além disso um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), desenvolvido no software ANSYS, foi utilizado. Os resultados obtidos indicaram que é possível melhorar o desempenho mecânico, em até 600% quando a melhor configuração geométrica é comparada com a pior.
- ItemEstudo numérico aplicado à melhoria do comportamento mecânico de placas finas de aço com enrijecedores submetidas à flexão(2017) Ramos, Alexandro Pereira; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são elementos estruturais amplamente empregados em engenharia e especialmente em estruturas navais e offshore. Isso se deve ao fato de que estes componentes são capazes de resistir mecanicamente aos esforços que são submetidos possuindo um peso relativamente baixo. O estudo das placas finas de aço sob flexão sempre foi um problema complexo. A quantidade de variáveis que são consideradas na resolução de problemas de engenharia envolvendo placas retangulares excede o número de equações disponíveis para a solução analítica, impossibilitando a obtenção de resultados exatos. Nesse contexto, o presente trabalho analisou numericamente o comportamento mecânico de uma placa fina de aço, quadrada, sob flexão, simplesmente apoiada nos quatro lados, inicialmente sem enrijecedores, sendo seus valores máximos de deslocamento transversal e de tensão de von Mises usados como referência. Na sequência, empregou-se o parâmetro de fração de volume dos enrijecedores (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores e o volume total do componente estrutural placa/enrijecedores. Então, foi adotado φ = 0,50 e a placa de referência (sem enrijecedores) teve o material referente à metade de sua espessura transformado em enrijecedores, sendo preservadas as medidas de comprimento e largura da placa de referência. Dessa forma, o volume de aço usado na placa sem enrijecedores foi o mesmo utilizado na placa de referência, o que permitiu avaliar a influência do número, disposição e dimensões dos enrijecedores no comportamento mecânico da placa submetida à flexão. Então, tendo como objetivo, minimizar o máximo deslocamento transversal da placa e minimizar a máxima tensão na placa, diferentes configurações de enrijecedores longitudinais e transversais, foram comparadas entre si e com a placa de referência, visando determinar qual configuração geométrica, dentre as avaliadas, conduz ao melhor comportamento mecânico. Para tanto, o grau de liberdade he/te, que relaciona a altura do enrijecedor (he) e sua espessura (te) foi considerado, além disso um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), desenvolvido no software ANSYS, foi utilizado. Os resultados obtidos indicaram que é possível melhorar o desempenho mecânico, em até 600% quando a melhor configuração geométrica é comparada com a pior.
- ItemOtimização geométrica de um canal com aletas retangulares submetido à convecção forçada aplicando o método design construtal(2017) Feijó, Bruno Costa; Santos, Elizaldo Domingues dos; Goulart, Jhon Nero VazO presente trabalho é um estudo sobre o escoamento em canais aletados. O problema proposto foi simulado numericamente e o método Design Construtal associado à busca exaustiva foi aplicado para uma avaliação geométrica do canal. O problema consiste em um canal bidimensional, contendo duas aletas retangulares aquecidas, uma na parede superior e outra na inferior. Um escoamento incompressível atravessa o canal em regime laminar, permanente, com uma temperatura menor do que a temperatura das aletas, causando a convecção forçada. Dois graus de liberdade foram considerados: a razão entre a altura e a largura das duas aletas (H1/L1; H2/L2). Além destes dois graus de liberdade também foram variadas as razões entre as áreas das aletas e as suas áreas de ocupação. A avaliação geométrica teve dois objetivos: maximizar a troca térmica entre as aletas e o escoamento circundante e minimizar a diferença de pressão entre a entrada e a saída do canal, ou seja, um objetivo térmico e um fluidodinâmico, respectivamente. Foi concluído que a maior razão da área das aletas sobre sua área de ocupação entre as estudadas neste trabalho, φ1 = φ2 = 0,2, é que melhor atende ao multiobjetivo proposto, sendo superior em 8,58% ao caso ótimo obtido para a menor fração de área estudada, φ1 = φ2 = 0,05. Também foi demonstrado que razões intermediárias entre a altura e largura das aletas são as que melhor atendem ao problema multi- ojetivo. Foi verificado que uma variação das razões entre altura e largura das aletas causa um efeito significativamente maior na diferença de pressão do canal do que sobre a troca térmica. A análise térmica do problema indicou que as geometrias que tem melhor desempenho térmico são as geometrias em que as aletas possuem maior inserção no canal (maior altura e maior área) enquanto que a análise fluidodinâmica demonstrou que os melhores desempenhos deste ponto de vista são obtidos quando as aletas possuem as menores alturas e áreas dentre as estudadas.
- ItemSimulação numérica e método constructal design aplicados ao estudo de flambagem em placas com furos hexagonais utilizadas em estruturas navais e oceânicas(2015) Silva, Caio Cesar Cardoso da; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosPlacas finas de aço são componentes estruturais de grande importância, quando utilizados em estruturas navais e oceânicas como, por exemplo, plataformas de petróleo, comportas, docas flutuantes e embarcações em geral. Uma característica geometrica notável em placas finas de aço é a sua esbeltez. Quando uma placa esbelta é submetida a um carregamento de compressão axial, um comportamento mecânico denominado flambagem pode ocorrer, provocando um deslocamento lateral do elemento. Este fenômeno de instabilidade pode ser dividido em flambagem elástica (linear) e elasto- plástica (não linear), dependendo de aspectos dimensionais, construtivos e/ou operacionais. Constantemente, a realização de perfurações nestes componentes estruturais é necessária, o que gera uma redistribuição de tensões nas placas, causando mudanças nas características de flambagem e no desempenho mecânico da placa. Este trabalho propõe um estudo do fenômeno de flambagem em placas quadradas ou retangulares, simplesmente apoiadas e com perfurações hexagonais centralizadas. A simulação numérica foi utilizada, com o auxílio do software ANSYS® , para determinar a carga crítica de flambagem e a carga de colapso da placa. O método Constructal Design foi aplicado, permitindo avaliar a influência do grau de liberdade H0/L0 (sendo H0 a altura e L0 o comprimento da perfuração, respectivamente) de cada tipo de perfuração (hexagonal longitudinal e transversal), no comportamento mecânico das placas. A fração de volume da perfuração na placa (φ) foi outro grau de liberdade considerado, correspondendo a 10%, 15%, 20% e 25% do volume total da placa, respectivamente. Os resultados mostraram a direta influência da relação H0/L0 na definição do tipo de flambagem para cada valor de fração de volume estudada. Além disso, o método Constructal Design, associado ao mecanismo de busca exaustiva, permitiu definir a dimensão ótima para cada tipo de perfuração, ou seja, aquela que conduz a placa a um melhor desempenho mecânico.
- ItemAnálise numérica da flambagem de placas finas de aço com enrijecedores através do método design construtal(2016) Lima, João Paulo Silva; Isoldi, Liércio André; Real, Mauro de VasconcellosA crescente participação da indústria naval e offshore no mercado acarretou impactos positivos sobre a economia brasileira. Com isso, a produção naval deparou-se com uma necessidade de criação de estruturas cada vez maiores e mais resistentes. As estruturas navais são constituídas basicamente por painéis ortotrópicos de aço formados pela soldagem de vigas em placas finas. Placas ortotrópicas possuem vigas dispostas longitudinalmente e transversalmente, chamadas de enrijecedores, com o objetivo de aumentar a resistência mecânica. Assim, é desejável obter uma geometria ótima de forma a maximizar sua tensão última de flambagem. Nesse contexto, empregou-se o Método dos Elementos Finitos através do software ANSYS e o Método Design Construtal associado ao método da Busca Exaustiva, em um estudo de otimização geométrica de placas com enrijecedores submetidas à flambagem elasto-plástica. Inicialmente adotou-se uma placa fina simplesmente apoiada sem enrijecedores, usando como referência o valor da tensão última de flambagem da mesma. Após, parte deste volume foi transformado em enrijecedores, os quais foram incorporados à placa. Para isso, a variável fração de volume (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores (Ve) e o volume total do elemento estrutural placa/enrijecedores (Vt), foi adotada, mantendo o volume da placa. Foram analisadas ao todo 16 combinações diferentes de enrijecedores do tipo P(Nel,Net), sendo Nel =2,3,4 e 5 o número de enrijecedores longitudinais, e Net = 2,3,4 e 5 o número de enrijecedores transversais da placa. Quatro valores de fração volumétrica foram adotados φ = 0,1; 0,2; 0,3 e 0,4 em todos os arranjos geométricos. Para cada análise, os painéis enrijecidos apresentaram uma relação hs/ts, relacionando a altura do enrijecedor e sua espessura. O estudo considerando dois valores de volume inicial Vt1 = 0,040 m3 e Vt2 = 0,028 m3 . Os resultados obtidos foram comparados entre si e com as placas sem enrijecedores, indicando que a variação da configuração geométrica afeta significativamente o comportamento mecânico dos painéis enrijecidos sob flambagem. Sendo assim, é possível determinar a geometria ótima que conduz a uma carga última maximizada, próxima à tensão de escoamento do material. As placas enrijecidas com volume Vt1 não apresentaram melhorias relevantes com a adição de enrijecedores, onde a geometria ótima do tipo P(2,5) com φ = 0,3 e relação hs/ts = 4,501, dentre todas as geometrias analisadas apresentou uma melhoria de apenas 7,38% em relação à tensão última da placa de referência após a adição de enrijecedores. Já o estudo feito com placas de volume Vt2 apresentou melhorias significativas no valor da tensão última de flambagem, de forma que a configuração ótima dentre todas as geometrias foi do tipo P(2,2), com φ = 0,3 e relação (hs/ts) = 14,09, apresentou uma melhoria de 88,50% em relação à tensão última para a placa com mesmo volume inicial de material, porém sem enrijecedores.
- ItemModelagem computacional e método design construtal aplicados à otimização geométrica de placas finas de aço com enrijecedores submetidas a carregamento transversal uniforme(2017) Troina, Grégori da Silva; Isoldi, Liércio André; Santos, Elizaldo Domingues dosEstruturas que utilizam placas finas de aço com enrijecedores são amplamente empregadas na indústria aeronáutica, construção civil, além de assumirem um papel importante no setor de construção e reparação naval. Simulações numéricas são ferramentas imprescindíveis para a solução de problemas complexos de engenharia que envolvem essas estruturas. A fim de determinar relações geométricas ótimas que minimizam os deslocamentos transversais em placas enrijecidas submetidas a esforços transversais uniformemente distribuídos, esse trabalho utilizou modelos computacionais para analisar deflexões de placas retangulares reforçadas por enrijecedores de seção transversal também retangular. Para a obtenção das diferentes configurações geométricas a serem analisadas em busca da geometria ótima, foi aplicado o método Design Construtal. Além dos princípios do Design Construtal, essa pesquisa utilizou a técnica de otimização por Busca Exaustiva, ou seja, um grande número de geometrias foi estudado para a obtenção daquelas com melhor comportamento estrutural quanto à deflexão. As soluções numéricas foram obtidas através do software ANSYS®, que emprega a metodologia dos elementos finitos (MEF) para a resolução de problemas estruturais. Os modelos utilizados para as análises foram construídos com elementos finitos bidimensionais (SHELL93) e tridimensionais (SOLID95). Uma placa de referência foi adotada para a geração de todas as geometrias de placas a serem analisadas, sendo a construção da placa enrijecida resultado da transformação de uma certa quantidade de material da espessura da placa de referência em enrijecedores longitudinais e transversais. Após as simulações numéricas, os resultados obtidos foram apresentados em gráficos de dispersão de pontos para mostrar a influência dos graus de liberdade nos resultados de deflexão central das placas. Para todos os casos simulados foi possível perceber um padrão no comportamento da deflexão conforme se aumentava a relação entre altura do enrijecedor e sua espessura, sendo possível ajustar a esses gráficos curvas de potência com coeficientes de qualidade de ajuste todos superiores a 92 %. As placas otimizadas foram determinadas para as cinco frações volumétricas φ (relação entre o volume de material dos enrijecedores e o volume total de material da placa enrijecida) estudadas e apresentaram redução superior a 90 % em seus deslocamentos transversais quando comparadas com a deflexão no centro da placa de referência não enrijecida. Por fim, foi avaliada a influência do parâmetro φ em relação às placas otimizadas, com o objetivo de encontrar a configuração com melhor performance estrutural global (em termos de deslocamentos transversais) entre todos os resultados gerados nessa pesquisa.
- ItemEstudo comparativo do comportamento de placas com furos circulares, quadrangulares e losangulares, sob compressão uniaxial em estruturas navais e oceânicas(2014) Sentano, Bruna Suanez; Real, Mauro de Vasconcellos; Isoldi, Liércio AndréPlacas são elementos estruturais de superfície plana, cuja espessura é pequena quando comparada com as outras dimensões. Estes elementos tem imensa aplicabilidade na engenharia devido ao seu desempenho estrutural quando solicitada à flexão em razão da sua elevada relação resistência–peso e facilidade de descrição do seu comportamento mecânico, pois há eficientes métodos analíticos de cálculo. Estes tipos de estruturas podem ser delimitados por enrijecedores e constituem parte integrante de estruturas de navios, plataformas de petróleo offshore, comportas e docas flutuantes, por exemplo. Em estruturas navais, perfurações são comuns para a abertura de acessos, manutenção ou mesmo redução do seu peso total. Estas perfurações influenciam na máxima resistência desses elementos, pois ocorre uma alteração no comportamento mecânico da estrutura, devido à redistribuição das tensões ao longo da placa. Para o estudo do comportamento de placas com perfurações, foram realizadas análises lineares e não-lineares para a flambagem empregando–se o Método dos Elementos Finitos. A amostra dispõe de 300 placas em que a largura é mantida constante e o comprimento e espessura da placa e o tamanho do furo centralizado variados. A modelagem computacional foi realizada através do software ANSYS e, foi possível determinar a capacidade de carga para cada caso e permitindo analisar a influência do tamanho do furo, da esbeltez e do comprimento da placa em sua capacidade de carga das placas. A análise elástica apontou que o modo de flambagem se modifica ao passo que a relação a/b muda. Já a análise inelástica apresentou tensões últimas inferiores à tensão de escoamento do material em todos os casos. Quanto à influência do furo, foi verificado que quanto maior a perfuração menor é a carga de ruptura. Observa–se que a resistência última da placa não sofre influência significativa pela variação da relação a/b. Ambas as análises mostraram que placas mais espessas apresentam maior capacidade de carga e a geometria do furo não influencia significativamente na resistência da placa.
- ItemAvaliação numérica da potência das ondas absorvida por um dispositivo de coluna de água oscilante instalado na costa sul do Brasil(2016) Lisboa, Rodrigo da Cruz; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasO aumento da demanda mundial por energias, associado à tendência de ampliação da utilização de fontes energéticas renováveis faz com que pesquisadores e engenheiros voltem as suas atenções para a energia contida nas ondas do mar. Embora estudos globais indiquem um grande potencial energético das ondas em várias regiões costeiras do mundo, para a otimização do desempenho de conversores de energia das ondas, é necessária a avaliação e caracterização detalhada do potencial energético no local de instalação do equipamento. Inserido nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo a avaliação numérica da potência das ondas absorvida por um dispositivo do tipo coluna de água oscilante instalada na costa sul do Brasil. Para a determinação do potencial energético local, dez anos de ondas em águas profundas, obtidas através do modelo Wave Watch III, foram propagadas para a região de interesse através do modelo Mike 21 SW que foi aferido e validado. Resultados mostraram que o fluxo de energia em águas profundas (80 m) é de 22.3 kW/m e em águas intermediárias (14 m) esse fluxo é diminuído para 6.7 kW/m. A refração e a dissipação por atrito com o fundo são as causas para a atenuação do fluxo de energia. Além disso, foi verificada uma variabilidade do fluxo de energia moderada em águas profundas e alta em águas intermediárias. Entretanto, os custos de construção, operação e manutenção de conversores de energia das ondas são significativamente menores em águas intermediárias comparado aos mesmos em águas profundas. Com isso, estudos de viabilidade levando em conta a possibilidade de instalação de conversores em águas intermediárias são justificáveis, principalmente para os casos de estruturas mistas com duplo objetivo: abrigo e geração de energia. Para a avaliação numérica da potência gerada por uma coluna de água oscilante, na região sul do Brasil, acoplada num quebra mar, na profundidade de 14 m, utilizou-se o modelo Fluent. Com o objetivo de otimizar o conversor de energia ondas, foi determinado o tamanho ótimo da turbina do tipo Wells e foram implementados sistemas de controle de pressão na câmara e de rotação da turbina para que o equipamento opere na máxima geração de energia possível. Para a característica ondulatória local, o diâmetro da turbina ótima foi de 2,25 m e a potência mecânica gerada por unidade de CAO foi de 36,48 kW. Nessa situação, o equipamento opera com eficiência média de 54,45 %. Entretanto, verificou-se que a eficiência é variável de acordo com as características das ondas incidentes. Mostrando a importância da otimização do equipamento levando em conta as características ondulatórias do local de implementação da coluna de água oscilante.
- ItemAnálise numérica do princípio de funcionamento do conversor de energia das ondas do mar em energia elétrica do tipo placa submersa(2014) Seibt, Flavio Medeiros; Isoldi, Liércio André; Teixeira, Paulo Roberto de FreitasA crescente demanda por produção de energia elétrica e a necessidade de preservação dos recursos naturais, tem impulsionado o desenvolvimento de tecnologias de conversão de baixo impacto ambiental. O potencial energético dos oceanos está distribuído sob diferentes formas, das quais a energia das ondas se destaca por concentrar a maior parte deste recurso. O dispositivo de placa submersa consiste em uma placa horizontal, plana e imersa sob a superfície do mar. A passagem das ondas sobre essa estrutura origina um escoamento horizontal, sob a placa, que alterna constantemente de sentido. Esse escoamento pode ser aproveitado como propulsão para uma turbina hidráulica, fazendo com que o dispositivo atue como um conversor de energia das ondas do mar. Este estudo apresenta uma análise numérica do princípio de funcionamento deste equipamento, isto é, sem considerar a presença da turbina abaixo da placa. Para isso, foram realizadas avaliações da influência de parâmetros geométricos da placa submersa e características das ondas incidentes no dispositivo com relação a sua eficiência de conversão de energia. Para as simulações numéricas foi utilizado um domínio bidimensional que se baseia no modelo multifásico Volume of Fluid (VOF), para o tratamento da região de interface água-ar. O domínio computacional foi construído e discretizado (geração da malha) no software GAMBIT, enquanto a solução das equações que regem o problema foi realizada com o software FLUENT, que utiliza o Método de Volumes Finitos (MVF) para obtenção de um sistema algébrico de equações. As ondas foram geradas por uma condição de contorno de velocidade variável no tempo, impondo as componentes horizontal e vertical de velocidade das partículas de fluido, com base na teoria de ondas de Stokes de 2a ordem. A análise do escoamento sob a placa submersa permitiu observar que as magnitudes da velocidade e da vazão mássica são maiores nos casos em que a placa tem menor comprimento e é posicionada próxima a superfície. Os resultados indicaram que dependendo das características do dispositivo (construtivas, de instalação e operacionais) é possível atingir uma eficiência em torno de 35 %.