Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36183
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-1604-0985
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo e validação de modelos de malha metálica para fins de simulação computacional de equipamentos de classificação e separação mecânica de materiais particulados sólidos
Alternate title (s): Study and validation of metallic woven screen models for purposes of computational simulation of equipment for mechanical classification and separation of solid particulate materials
Author: Lopes, Ícaro de Ângelis
First Advisor: Lépore Neto, Francisco Paulo
First member of the Committee: Santos, Marcelo Braga dos
Second member of the Committee: Finzi Neto, Roberto Mendes
Third member of the Committee: Nunez, Israel Jorge Cárdenas
Summary: A classificação e separação mecânica são atividades presentes em diversos ramos industriais: muito presente na indústria de mineração, de fertilizantes e, até mesmo, farmacêutica e alimentícia. Parte integrante do processo de separação mecânica é a malha, normalmente metálica, utilizada como meio de gradação das partículas; mas não só: é, em muitos sentidos, o dispositivo central de todos os aspectos que envolvem a separação mecânica. Faz-se, assim, necessário aprofundar os estudos de suas características, em especial, aquelas voltadas para seu comportamento dinâmico. O trabalho proposto caminha nessa direção, revisando os modelos disponíveis em literatura específica - muito frutífero nessa demanda é o ramo de estudos de materiais têxteis em impactos balísticos, por tratar de materiais compostos por elementos entrelaçados, como o são as malhas utilizadas na separação mecânica. O trabalho não só revisa a teoria, mas também propõe a utilização de modelo conveniente - nesse caso, um modelo equivalente contínuo, homogeneizado, com características ortotrópicas. Para tal fim, bancadas e métodos experimentais foram desenvolvidos, bem como as ferramentas computacionais necessárias para análise: visando a aplicação em indústria, todas as ferramentas foram desenvolvidas em softwares open-source ou de baixo custo. Cita-se, como exemplo, o laboratório matricial livre GNU Octave® e o software de elementos finitos, de custo inexpressivo, Mecway®. Nesse sentido, o estudo realizado consiste na obtenção das propriedades físicas equivalentes - módulos de elasticidade, cisalhamento e coeficiente de Poisson - que levariam o modelo a comportar-se de maneira semelhante ao objeto físico real. A metodologia proposta para obtenção das propriedades mecânicas do modelo consiste num procedimento de minimização - utilizando o otimizador heurístico particle-swarm optimization (PSO) - da diferença entre as resposta dinâmica experimental e modelada, através de suas características modais: frequência natural, modos de vibrar e fator de amortecimento. Todos esses aspectos estão englobados na chamada análise modal analítica e experimental. Dessa forma, a obtenção das propriedades mecânicas do sistema é de cunho dinâmico, diferentemente do usual cunho estático. Para analisar a eficácia da metodologia de extração das propriedades mecânicas, um procedimento de validação computacional foi elaborado e mostrou-se bem- sucedido: a metodologia é capaz de ajustar a resposta dinâmica do sistema à referência utilizada e, dessa forma, obter as propriedades mecânicas. Ao final, o estudo experimental das malhas metálicas é apresentado, no qual fica claro a complexidade do comportamento da malha metálica e, por isso, certa inadequação de alguns aspectos da metodologia experimental e de análise. Esse fato não é impeditivo, contudo, para afirmar, baseado nos resultados, que o modelo contínuo homogeneizado, de características ortotrópicas, de fato é capaz de sintetizar parte das características de uma complexa malha de fios metálicos entrelaçados.
Abstract: Mechanical classification and separation are an ever-present activity in a myriad of industries: very much present in mining and fertilizer industries, as well as in pharmaceutical and food production and processing ones. Integral part of the mechanical separation process is the woven screen, usually metallic, utilized as a mean of particle gradation; however, there’s more: the screen is, in many ways, the central piece of every aspect involved in mechanical separation. Therefore, it is necessary to dive deeper into its characteristics, especially the ones related to its dynamic behavior. The proposed research goes in that direction, revising available models in certain specific areas - very prolific in this topic is the ballistic field of study with regards to textile woven materials, as are the ones utilized in mechanical separation. The work is not limited to revising the theory, but it also proposes the implementation of a convenient model - in this case, a homogenized continuous one, with orthotropic characteristics. To that end, benchwork and experimental methodologies are developed, as well as the necessary computational tools for the analysis: in view of the application of those methods in the industry, all tools were developed in open-source or low-cost software. As an example, it was used the open-source matrix laboratory GNU Octave® and the low-cost finite elements software Mecway®. In that sense, the study performed consist of obtaining the equivalent physical properties - elasticity and shear modulus, and Poisson coefficient - that would bring the model to behave in a similar manner to the real object. The proposed methodology for acquiring the model’s mechanical properties can be summarized to a minimization problem - utilizing the particle-swarm optimization heuristics optimizer (PSO) - between the difference of the experimental and modeled dynamic response, through its modal properties: natural frequency, mode shapes and damping factor. All those aspects are contained in what is called analytical and experimental modal analysis. In that regard, it is a dynamic way of obtaining the mechanical properties of the system, which differs from the usual static one. To analyze the mechanical property extraction methodology efficacy, a computational validation procedure was elaborated and has shown to be a success: the methodology can adjust the system’s dynamical response to the reference used and obtain the mechanical properties sought. At the end of the study, a review of the experimental responses of the screen is provided, in which its complex behavior is made clear, and, because of that, certain aspects of the experimental methodologies used, and analysis made, are lacking. That, however, it is not an impediment to the conclusion, based on the results obtained, that the orthotropic homogenized continuous model can synthesize part of the complex characteristics of a metallic woven screen.
Keywords: Separação Mecânica
Mechanical Separation
Malha Metálica
Woven Metallic Screen
Modelo Contínuo Homogeneizado Ortotrópico
Orthotropic Homogenized Continuous Model
Análise Modal
Modal Analysis
Otimização
Optimization
PSO
PSO
GNU Octave®
GNU Octave®
Mecway®
Mecway®
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Subject: Engenharia Mecânica
Análise modal
Adubos e fertilizantes - Indústria
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: LOPES, Ícaro de Ângelis. Estudo e validação de modelos de malha metálica para fins de simulação computacional de equipamentos de classificação e separação mecânica de materiais particulados sólidos. 2022. 150 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.465.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.465
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36183
Date of defense: 29-Aug-2022
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
EstudoValidaçãoModelo.pdfDissertação10.14 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons