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Correlating low energy impact damage with changes in modal parameters: diagnosis tools and FE validation
This paper presents a basic experimental technique and simplified FE based models for the detection, localization and quantification of impact damage in composite beams around the BVID level. Detection of damage is carried out by shift in modal parameters. Localization of damage is done by a topology optimization tool which showed that correct damage locations can be found rather efficiently for low-level damage. The novelty of this paper is that we develop an All In One (AIO) package dedicated to impact identification by modal analysis. The damaged zones in the FE models are updated by reducing the most sensitive material property in order to improve the experimental/numerical correlation of the frequency
response functions. These approximate damage models(in term of equivalent rigidity) give us a simple degradation factor that can serve as a warning regarding structure safety
Metodologias para projeto mecânico ótimo de estruturas espaciais obtidas por fabrico aditivo
Additive Layer Manufacturing (ALM) is growing rapidly due to the unprecedented
design freedom. Thus, the structures' complexity can be drastically
increased without significant raises in costs. However, the economic viability
of ALM is strongly dependent on the full exploration of the referred
design freedom. In fact, the ALM is only cost-effective in highly customized
parts. Moreover, the mechanical behavior of materials processed via ALM
is an ongoing challenge due to defects, uncertainties in material characterization,
and verification methods. Thus, the goal of the present work is the
development of a robust methodology for the mechanical optimum design
of metallic space structures obtained from additive manufacturing. Thus,
two main tasks were established.
The first task is related to the mechanical characterization of a Ti6Al4V
alloy, processed via Selective Laser Melting (SLM). Therefore, an experimental
testing campaign of Ti6Al4V samples is presented using homogeneous
macroscopic testing (tensile, compression, density, hardness, and
fatigue) and microscopic testing (defects detection via microcomputed tomography).
These samples show better static properties than the other
counterparts, obtained by traditional manufacturing processes. However,
the repeatability of the SLM samples is still a challenge (particularly in its
fatigue behavior) and more testing is needed. Furthermore, these campaigns
are expensive and, consequently, more information per test is required. With
the development of full-field measurement methods, material model calibration
strategies call upon the use of heterogeneous testing specimens. In the
scope of this work, an indirect TO methodology is presented, being capable
of designing a wide range of different heterogeneous specimens. Then, a
stress states performance indicator is also presented to help the selection of
the most promising geometry.
The second task is related to the definition of the engineering cycle for
ALM structures in its mains phases: (i) design for ALM, (ii) bridging between
Topology Optimization (TO) and ALM, (iii) process simulation and
structural verification, and (iv) manufacturing. Concerning the first phase,
ALM provides great geometric freedom however, there are some design limitations.
Therefore, a systematic design methodology is presented, being
based on a topology optimization algorithm capable of incorporating the
main ALM design limitations (minimum member size and overhang angle).
Furthermore, the non-trivial task of bridging between TO and the final
smooth geometry is also studied (second phase). The referred task uses a
Laplacian smoothing algorithm, which is based on the new concept of mutable
diffusion. This new concept shows better properties than the classic
algorithms, giving promising results. Furthermore, a new volume constraint
is presented, which exhibits a less detrimental impact on the chosen structural indicators. Regarding the remaining phases, these were analyzed via
industrial case studies. For instance, process simulation can provide crucial
insight into the optimum manufacturing direction and might dictate the
difference between success and failure upon manufacturing.
The impact of this Ph.D. is related with some improvements in (i) the
characterization of ALM-produced materials as well as the geometry of the
specimens used for their characterization; and in (ii) the engineering cycle
of ALM structures, allowing higher efficiency in the structural solutions for
the space industry with lower costs.O uso do fabrico aditivo por camadas está a crescer a um elevado ritmo
devido À elevada liberdade de projeto de estruturas. Assim, a complexidade
das estruturas pode ser aumentada significativamente sem incrementos significativos nos custos. Todavia, a viabilidade económica do fabrico aditivo
por camadas é fortemente dependente de uma exploração inteligente da
liberdade de projeto estrutural. Na verdade, o fabrico aditivo por camadas
só é rentável em peças de elevada complexidade e valor acrescentado. Adicionalmente,
o comportamento mecânico de materiais processados através
do fabrico aditivo por camadas é ainda um desafio por resolver devido à
existência de defeitos, incertezas na caracterização de materiais e nos seus
métodos de velicação. Deste modo, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento
de uma metodologia robusta que permita o projeto mecânico
ótimo de estruturas obtidas por fabrico aditivo para a indústria espacial.
Para isso, foram estabelecidas duas tarefas principais.
A primeira tarefa está relacionada com a caracterização mecânica da liga
Ti6Al4V, processada através da fusão seletiva a laser. Portanto, foi realizado
uma campanha de testes experimentais com provetes da liga Ti6Al4V
composta por testes macroscópicos homogéneos (tração, compressão, densidade,
dureza e fadiga) e testes microscópicos (deteção de defeitos usando
uma análise com recurso à tomografia microcomputorizada). Foi
verificado que estas amostras exibem melhor propriedades estáticas que
amostras idênticas produzidas através de processos tradicionais. Contudo,
a sua repetibilidade ainda é um desafio (particularmente o comportamento
à fadiga), sendo necessário mais testes. Adicionalmente, estas campanhas
experimentais são onerosas e, consequentemente, é crítico obter mais informação por cada teste realizado. Dado o desenvolvimento dos métodos de
medição full-field, as estratégias de calibração de modelos de material propiciam
o uso de provetes heterogéneos em testes mecânicos. No ^âmbito deste
trabalho apresenta-se uma metodologia de otimização topológica indireta
capaz de projetar uma grande variedade de provetes heterógenos. Posteriormente
apresenta-se um indicador de desempenho baseado na quantidade
de estados de tensão para selecionar o provete mais promissor.
A segunda tarefa está relacionada com a definição do ciclo de engenharia
para o fabrico aditivo por camadas de estruturas metálicas nas suas fases
principais: (i) projeto para fabrico aditivo por camadas, (ii) transição entre
a otimização topológica e o fabrico aditivo por camadas, (iii) simulação do
seu processo de fabrico e sua verificação estrutural e (iv) fabrico. Relativamente
à primeira fase, o fabrico aditivo por camadas proporciona uma
grande liberdade geométrica, contudo existe limitações ao design. Portanto
é apresentada uma metodologia de projeto sistemática, baseada num algoritmo
de otimização topológica capaz de incorporar as principais limitações
de projeto do fabrico aditivo por camadas tais como a espessura mínima
e ângulo do material sem suporte. Adicionalmente, a tarefa complexa de
efetuar a transição entre os resultados da otimização topológica e uma
geometria final suave também é objeto de estudo. A tarefa anteriormente
referida baseia-se na suavização Laplaciana que por sua vez se baseia no
novo conceito de difusão mutável. Este novo conceito apresenta melhores
e mais promissores resultados que os algoritmos clássicos. Adicionalmente,
é apresentado uma nova restrição de volume que proporciona um menor
impacto nos indicadores estruturais escolhidos. Relativamente às restantes
fases, estas são analisadas através de casos de estudo industriais. A título
exemplar, a simulação do processo de fabrico pode fornecer informações
crucias para a escolha da direção de fabrico que, por sua vez, pode ditar a
diferença entre o sucesso ou o insucesso durante o fabrico.
O impacto deste trabalho está relacionado com melhorias na (i) caracterização de materiais produzidos através de fabrico aditivo por camadas assim
como nas geometrias de provetes usados durante a sua caracterização e no
(ii) ciclo de projeto em engenharia de estruturas obtidas através do fabrico
aditivo por camadas, permitindo soluções estruturais com maior eficiência
e menor custo para indústria espacial.Programa Doutoral em Engenharia Mecânic
Dynamic Effect in Fatigue on High-Deflection Structures
There are a few kinds of structures that are created to fill in as a system, for example, springs, torsion bars, and axles, among others. They are structures, since they comprise of one single body, with no movement joints, however, with degrees of freedom, allowed by the mechanical compliance of the body. This aspect is extremely difficult to represent in durability assessment, since these structures-mechanisms are highly sensitive to dynamic effect of the system and the traditional method to predict fatigue (load history) is static and does not consider how the structure responds dynamically to the loading. In this chapter, we will study the fatigue behavior of two generic components, a classical structure and a structure-mechanism, using three different methods of calculation: load history (static), transient modal superposition (dynamic), and frequency domain modal superposition (dynamic). The objective is to demonstrate the differences between each calculation methodology due to the different ways each considers the dynamic effect
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