Concepção, projeto e análise estrutural de um tubo de choque acadêmico

The shock tube is an equipment used in laboratory studies on supersonic flows, providing data on the flight conditions in which the aerospace vehicles will find themselves. The Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN) has stainless steel tubes – donated by the Institute of Advanced Studie...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Fiuza, William Henrique de Lima
Outros Autores: Toro, Paulo Gilberto de Paula
Formato: Dissertação
Idioma:pt_BR
Publicado em: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Assuntos:
Engenharia aeroespacial
Tubo de choque
Análise estrutural
Método dos elementos finitos
Modelagem tridimensional
CNPQ::ENGENHARIAS
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/51928
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Fiuza, William Henrique de Lima
Concepção, projeto e análise estrutural de um tubo de choque acadêmico
description The shock tube is an equipment used in laboratory studies on supersonic flows, providing data on the flight conditions in which the aerospace vehicles will find themselves. The Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN) has stainless steel tubes – donated by the Institute of Advanced Studies (IEAv) – intended for the construction of the Institution's first shock tube. The objective of the research carried out was to make the construction of the equipment technically feasible. The correct sizing of the components is a fundamental part of the project, being essential to prevent accidents and control measurement errors during the tests, since it is a device subjected to high pressures. Structural modeling through software allows reducing material waste and operational risks during the construction of prototypes. Boundary conditions and applied loads must be rigorously selected, to provide a good level of confidence to the research results and, thus, constitute a guide for the execution of the academic project in a technical way. For this, the following were carried out and are presented here: calculations of the flow conditions; modeling and structural analysis of the high pressure (driver) and low pressure (driven) sections of the academic shock tube, considering the dimensions of the stainless-steel tubes available at UFRN; in addition to determining the efforts to which the tubes will be submitted when the equipment becomes operational. Analytical (Lamé Equations) and numerical (Ansys Mechanical) results of circumferential, radial and von Mises stresses were compared by means of their percentage variations. Autodesk Inventor was also used for simulations and comparisons with Ansys Mechanical results. Both the driver and the driven were analyzed considering their ends closed by means of flanges and thus treated as pressure vessels. Ansys Mechanical and Autodesk Inventor software were used in the analysis, with discretization of the models by mesh generation and application of the Finite Element Method. A pressure of 70 atm (7.09 MPa) was applied to the inner surface of the highpressure section during calculations and computer simulation, while other pressures generated in the flow were calculated and applied to the low pressure section. All pressures were also multiplied by four to assess the impact of this change in stresses. Based on the results obtained for von Mises stresses, circumferential stresses, and radial stresses, it was found that, considering the properties of stainless steel AISI 304 and steel SAE 4140, the available tubes will withstand the workloads within the operating range to which they will be subjected without implying any risk of damage, in view of the first stage of the UFRN academic shock tube construction project.
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The objective of the research carried out was to make the construction of the equipment technically feasible. The correct sizing of the components is a fundamental part of the project, being essential to prevent accidents and control measurement errors during the tests, since it is a device subjected to high pressures. Structural modeling through software allows reducing material waste and operational risks during the construction of prototypes. Boundary conditions and applied loads must be rigorously selected, to provide a good level of confidence to the research results and, thus, constitute a guide for the execution of the academic project in a technical way. For this, the following were carried out and are presented here: calculations of the flow conditions; modeling and structural analysis of the high pressure (driver) and low pressure (driven) sections of the academic shock tube, considering the dimensions of the stainless-steel tubes available at UFRN; in addition to determining the efforts to which the tubes will be submitted when the equipment becomes operational. Analytical (Lamé Equations) and numerical (Ansys Mechanical) results of circumferential, radial and von Mises stresses were compared by means of their percentage variations. Autodesk Inventor was also used for simulations and comparisons with Ansys Mechanical results. Both the driver and the driven were analyzed considering their ends closed by means of flanges and thus treated as pressure vessels. Ansys Mechanical and Autodesk Inventor software were used in the analysis, with discretization of the models by mesh generation and application of the Finite Element Method. A pressure of 70 atm (7.09 MPa) was applied to the inner surface of the highpressure section during calculations and computer simulation, while other pressures generated in the flow were calculated and applied to the low pressure section. All pressures were also multiplied by four to assess the impact of this change in stresses. Based on the results obtained for von Mises stresses, circumferential stresses, and radial stresses, it was found that, considering the properties of stainless steel AISI 304 and steel SAE 4140, the available tubes will withstand the workloads within the operating range to which they will be subjected without implying any risk of damage, in view of the first stage of the UFRN academic shock tube construction project. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES O tubo de choque é um equipamento empregado em estudos laboratoriais sobre escoamentos supersônicos, fornecendo dados em determinadas condições de voo nas quais os veículos aeroespaciais se encontrarão. A Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) dispõe de tubos de aço inoxidável – doados pelo Instituto de Estudos Avançados (IEAv) – destinados à construção do primeiro tubo de choque da Instituição. O objetivo na pesquisa desenvolvida foi viabilizar tecnicamente a construção do equipamento. O correto dimensionamento dos componentes é parte fundamental do projeto, sendo indispensável para prevenir acidentes e controlar erros de medição durante os ensaios, pois se trata de um dispositivo submetido a altas pressões. A modelagem estrutural por meio de software permite reduzir desperdício de materiais e riscos operacionais durante a construção de protótipos. As condições de contorno e cargas aplicadas devem ser selecionadas com rigor, de modo a proporcionar bom nível de confiança aos resultados da pesquisa e, desse modo, constituir um guia para execução do projeto acadêmico de modo técnico. Para isso foram realizados e são aqui apresentados: cálculos das condições de escoamento; modelagem e análise estrutural das seções de alta pressão (driver) e de baixa pressão (driven) do tubo de choque acadêmico, considerando as dimensões dos tubos de aço inoxidável disponíveis na UFRN; além da determinação dos esforços aos quais os tubos serão submetidos quando o equipamento se tornar operacional. Os resultados analíticos (Equações de Lamé) e numéricos (Ansys Mechanical) das tensões circunferenciais, radiais e de von Mises foram comparados por meio de suas variações percentuais. O Autodesk Inventor também foi utilizado para simulações e comparações com os resultados do Ansys Mechanical. Tanto o driver quanto o driven foram analisados considerando suas extremidades fechadas por meio de flanges e, assim, tratados como vasos de pressão. Foram utilizados nas análises os softwares Ansys Mechanical e Autodesk Inventor, com discretização dos modelos por geração de malha e aplicação do Método dos Elementos Finitos. Uma pressão de 70 atm (7,09 MPa) foi aplicada na superfície interna da seção de alta pressão durante os cálculos e simulação computacional, enquanto outras pressões geradas no escoamento foram calculadas e aplicadas à seção de baixa pressão. Todas as pressões também foram multiplicadas por quatro para avaliar o impacto dessa alteração nas tensões. Com base nos resultados obtidos para tensões de von Mises, tensões circunferenciais e tensões radiais constatou-se que, considerando-se as propriedades do aço inoxidável AISI 304 e do aço SAE 4140, os tubos disponíveis suportarão as cargas de trabalho dentro da faixa de operação a que serão submetidos sem implicar em riscos de danos, atendendo à primeira etapa do projeto de construção do tubo de choque acadêmico da UFRN. 2023-03-22T19:45:47Z 2023-03-22T19:45:47Z 2022-12-22 masterThesis FIUZA, William Henrique de Lima. Concepção, projeto e análise estrutural de um tubo de choque acadêmico. Orientador: Paulo Gilberto de Paula Toro. 2022. 95f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciências Aeroespaciais) - Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2022. https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/51928 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Universidade Federal do Rio Grande do Norte Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AEROESPACIAL

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