DEMA - Teses e DissertaçõesColeção de Teses e dissertaçõeshttp://hdl.handle.net/123456789/1802024-02-15T16:10:41Z2024-02-15T16:10:41ZModelagem e simulação do campo contínuo com irregularidades: aplicações em mecânica da fratura com rugosidadeAlves, Lucas Máximohttp://hdl.handle.net/123456789/9162016-02-29T12:56:53Z2011-01-01T00:00:00ZModelagem e simulação do campo contínuo com irregularidades: aplicações em mecânica da fratura com rugosidade
Alves, Lucas Máximo
Desenvolveu-se a fundamentação matemática básica para uma Mecânica de Meios Irregulares (MMI), definindo-se um tensor de rugosidade e uma fração volumétrica irregular efetivamente deformada, de onde se obteve uma equação de movimento generalizada. O problema de irregularidades em meio contínuo foi abordado fazendo-se uma contextualização teórica da Mecânica da Fratura Fractal (MFF) dentro dessa nova MMI. A modelagem e a simulação do campo de tensão/deformação elástico para uma trinca com e sem rugosidade foi realizada para compreender o efeito dessa irregularidade sobre o campo de tensões no processo de fratura. Usando-se a Teoria Fractal foi feita uma revisão dos conceitos matemáticos da Mecânica da Fratura Clássica (MFC) os quais foram historicamente estabelecidos usando-se a geometria Euclidiana. Uma superfície de fratura generalizada foi modelada para uma dimensão de rugosidade fractal local e global, considerando-se essa superfície fraturada (ou um perfil de trinca) como sendo um fractal auto-afim, com dimensão média de rugosidade H(expoente de Hurst). Análise fractais das superfícies de fratura foram realizadas. As relações matemáticas entre as áreas fraturadas, reais e projetadas, foram obtidas e incluídas, explicitamente, na MFC junto com a rugosidade da superfície de fratura, tornando sua descrição matemática mais realista e autêntica. O campo de tensão na ponta de uma trinca rugosa fractal para os três modos de carregamento foi calculado. Além disso, um completo modelamento do crescimento estável e instável de trincas em materiais frágeis e dúcteis foi realizado, utilizando conceitos extraídos da teoria fractal. As relações matemáticas obtidas apareceram, explicitamente, incluídas dentro de um Mecânica da Fratura Fractal (MFF) junto com as relações de tenacidade à fratura e da rugosidade da superfície de fratura, as quais foram comparadas com resultados experimentais. Foi deduzido um critério de fratura generalizado e as expressões matemáticas fractais para as curvas G – R e J – R para materiais elásticos lineares e materiais elásto-plásticos, que dependem do tamanho do entalhe e do tamanho crítico do Griffith. Relações matemáticas entre a MFC e a MFF foram estabelecidas. Ensaios experimentais de curva G-R e J-R de acordo com a norma ASTM 1737-96 foram realizados e os resultados experimentais para a fratura em metais e polímeros foram obtidos e comparados com o modelo e também com o resultados de outros autores. Uma curva J-R fractal generalizada que depende das propriedades geométricas e energéticas, válida para todos os tipos de materiais,foi obtida. Portanto, uma reformulações matemáticas da MFC, utilizando a teoria fractal com suas respectivas validações experimentais, foram realizadas. Concluiu-se que uma modificação da Mecânica da Fratura Clássica, além de necessária, foi comprovada experimentalmente.; A basic mathematical foundation for a Irregular Medium Mechanics (IMM) was developed, where one defined a roughness tensor and a volume fraction irregular effectively deformed, where a general equation of motion was obtained. The problem of irregularities on continuum medium was approached making a theoretical contextualization of Fractal Fracture Mechanics (FFM) inside of this new IMM. A modeling and simulation of the elastic stress/strain field for a crack with and without roughness was carried out to understand the effect of irregularities on the stress field in the fracture process. Using Fractal Theory was done a mathematical revision of the concepts of Classical Fracture Mechanics (CFM) which were historically established using Euclidean geometry. A generalized fracture surface was modeled for a dimension of local and global fractal roughness considering the fractured surface (or a crack profile) as a self-affine fractal with roughness average dimension H (Hurst exponent). Fractal analyses of fracture surfaces were performed. The mathematical relationships between the fractured areas, true and projected, were obtained and inserted, explicitly, in CFM to taken into account the roughness of fracture surface, making its mathematical description more realistic and authentic. The stress field at the fractal rough crack tip for the three kinds of loading modes was calculated. In addition, a complete modeling of the stable and unstable crack growth in brittle and ductile materials were accomplished, using concepts extracted from fractal theory. The mathematical relationships obtained appeared, explicitly, included into a Fractal Fracture Mechanics (FFM) along with the relationships of fracture toughness and fracture surface roughness, which were compared with experimental results. A generalized fracture criterion and mathematical fractal expressions for G-R and J-R curves, for linear elastic and non-linear elastic-plastic materials, which depends on the notch size and the Griffith critical, were obtained. Mathematical relationships between the FFM and CFM were established. Experimental standard tests of G-R and J-R curve according to ASTM 1737-96 method were performed and the experimental results for the fracture in metals and polymers were obtained and compared with the proposed model and also with the results of other authors. A generalized fractal J-R curve that depends on the geometric and energetic properties, valid for all kinds of materials, was obtained. Therefore, mathematical reformulations of the CFM using the fractal theory with their respective experimental validations were accomplished. It was concluded that a modification of Classical Fracture Mechanics turning it into a Fractal Fracture Mechanics, besides of necessary, has been proven experimentally.
2011-01-01T00:00:00ZEstudo da solidificação e do processamento cerâmico de ligas de Si-Ge para aplicações termoelétricasAlves, Lucas Máximohttp://hdl.handle.net/123456789/5282011-03-28T17:01:50Z1995-01-01T00:00:00ZEstudo da solidificação e do processamento cerâmico de ligas de Si-Ge para aplicações termoelétricas
Alves, Lucas Máximo
Os materiais cerâmicos termoelétricos preparados a partir de ligas de Si-Ge, são utilizados em Geradores de Potência a Radioisótopos (GTR), na conversão de energia por efeitos termoelétricos. Neste trabalho de pesquisa foram estudadas as condições de preparação destas cerâmicas a partir de ligas de Silício-Germânio. Visou-se portanto obter a melhor eficiência, pela otimização da "Fator de Mérito" (ou Número de Ioffe), através dos processos de preparação e tratamentos térmicos da liga, e também na dopagem das cerâmicas. As ligas de silício-germânio (Si80Ge20) foram obtidas pela técnica de crescimento Czochralski, com campo elétrico aplicado (ECZ) e também por outras técnicas de fusão e solidificação, para comparação. Amostras com homogeneidade satisfatória foram quebradas e moídas para processamento cerâmico. E em seguida o pó da liga foi então dopado, misturando-se este com pó de boro amorfo e depois prensado, a fim de se obter elementos cerâmicos semicondutores tipo-p, com propriedades termoelétricas para altas temperaturas ( 1000ºC). A sinterização foi feita por três técnicas diferentes: pela técnica dos Pós Discretos ou PIES (Pulverized and Intermixed Elements of Sintering), pelo procedimento cerâmico convencional, e pela Prensagem a Quente (Hot-Pressing), sendo esta última usada como padrão de comparação. As amostras obtidas foram analisadas e caracterizadas por técnicas convencionais de caracterização cerâmica tais como: medidas da densidade, dos tamanhos dos grãos, porosidade, área superficial, etc. e também por medidas de alguns dos parâmetros físicos que influenciam diretamente na eficiência termoelétrica tais como: coeficiente Seebeck, calor específico e parâmetro de rede, para ligas de composição nominal Si80Ge20 sem e com dopantes para semicondutores tipo-p. Uma amostra preparada pela General Electric usando a técnica de Prensagem a Quente (Hot-Pressing), foi usada como padrão de comparação. A liga obtida pela técnica ECZ apresentou boa homogeneidade. Foi encontrado que a qualidade microestrutural das cerâmicas tais como: densidade, a regularidade e a composição química dos grãos das cerâmicas depende muito da técnica de processamento. Estes elementos cerâmicos termoelétricos poderão ser usados como fonte de energia em Geradores de Potência Termoelétrica a Radioisótopos (GTR) mais especificamente na alimentação de satélites brasileiros fabricados pelo Centro Técnico Aeroespacial (CTA) junto com o Instituto de Estudos Avançados (IEAv) através da Divisão de Energia Nuclear (IEAv-ENU) deste Instituto, ou entre outras aplicações para fins militares e civil.; Doped ceramics elements, prepared from Si-Ge alloy are used in Radioisotopic Thermoelectric Generators (GTR) for energy conversion by thermoelectrical effects. In this research the experimentals conditions to prepare thermoeletric ceramics from Silicon-Germanium alloys have been determined. The purpose was to get the best efficiency, by optimization of the "Merit Figure" (or "Ioffe Number"), using different preparation methods and thermal treatments of alloys, as well as the doping of these ceramics. Silicon-Gemanium alloys (Si80Ge20), have been grown by the Czochralski technique under applied eletric field (ECZ), as well as by others fusion techniques for comparison. After the fusion of the alloy, samples with satisfactory homogeneity have been smashed and milled for ceramic processing. Powder of Si-Ge alloy was then heavely doped by mixing with amorphous boron powder and pressed to get type-P semiconductor thermoelectrical ceramics elements, at high temperatures (1000ºC). The sintering was made by three differents techniques: PIES method (Pulverized and Intermixed Elements of Sintering), convencional ceramic processing, and Hot-Pressing sintering, for comparison. The samples have been analyzed and characterized by conventional ceramics technique such as: determination of density, grain size, porosity, surface area, etc. and measuring too some physical parameters that affect directly the thermoelectrical efficiency such as: Seebeck coefficient, specific heat and lattice parameter to Silicon-Germanium alloys with nominal composition Si80Ge20 with or without dopings to type-P semiconductors. A sample prepared by General Electric Company using the Hot-Pressing technique was used as standard. The alloy grown by ECZ technique showed a good homogeneity. It was found that the microstructural quality of the ceramics such as: density, grains regularity and chemical composition of the ceramics depend of the ceramic processing technique. These thermoelectrical elements can be used as power supply for the Brazilian satellites made by the Centro Técnico Aeroespacial (CTA) together with the Instituto de Estudos Avançados (IEAv) through the Divisão de Engenharia Nuclear (ENU), and among other applications for military and civil purposes.
1995-01-01T00:00:00Z