FE - DCA | Dissertações de Mestrado e Teses de Doutoramento
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- Análise de propagação de dano e da resposta piezoresistiva em laminados de CFRPPublication . Pereira, Duarte Amaro; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Pereira, João Pedro NunesOs laminados de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) são amplamente utilizados em estruturas aeronáuticas devido à sua elevada resistência específica, rigidez e durabilidade. Contudo, a sua suscetibilidade a defeitos internos e externos, como a rutura frágil da matriz, delaminação e rutura de fibras, pode comprometer significativamente o desempenho estrutural e a segurança em serviço. Neste trabalho estudou-se experimentalmente a propagação de fissuras em laminados de CFRP através de ensaios de flexão em três pontos e a monitorização piezoresistiva em condições de carga cíclicas. Foram fabricados laminados em fibra de carbono em autoclave com diferentes configurações de empilhamento: unidirecional [0]10, [0]16 e [0]22, cruzada [0/90]5 e simétrica [0/45/90/-45/0]S e realizaram-se ensaios mecânicos de flexão em três pontos e ensaios cíclicos com monitorização em tempo real da resposta elétrica e observação microscópica da evolução dos danos. Os ensaios de flexão em três pontos evidenciaram comportamentos distintos à fratura para cada tipologia de empilhamento. O laminado unidirecional de 10 camadas apresentou a maior resistência máxima à flexão (1469 MPa) e o módulo de elasticidade mais elevado (136 GPa), enquanto os laminados de 16 e 22 camadas exibiram resistências 26 % e 29 % inferiores, respetivamente. O laminado simétrico revelou a maior deformação máxima (1,35 %) e flecha a meio do vão (8,16 mm), evidenciando maior capacidade de absorção de energia, ao passo que o laminado cruzado apresentou resistência de 588 MPa e deformação de 1,27 %, associadas à redistribuição de tensões entre camadas ortogonais. Nos ensaios cíclicos com monitorização piezoresistiva, todos os laminados mostraram correlação direta entre o carregamento e a variação relativa de resistência (?R/R0). O laminado simétrico apresentou a maior sensibilidade eletromecânica, com Gauge Factor (GF) médio de 247,9, aproximadamente 1,56 vezes superior ao do laminado unidirecional de 16 camadas (GF= 158,8) e 2,63 vezes superior ao do laminado unidirecional de 10 camadas (GF= 94,4). O laminado cruzado apresentou o valor mais baixo (GF= 36,4), correspondendo a uma redução de cerca de 85 % face ao laminado simétrico. Estes resultados confirmam que os laminados unidirecionais apresentam o melhor desempenho mecânico, enquanto os laminados simétricos evidenciam maior sensibilidade piezoresistiva, demonstrando o potencial dos CFRP como materiais multifuncionais self-sensing aplicáveis em sistemas de Structural Health Monitoring (SHM) aeronáuticos.
- Piezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring: A Temperature Dependence CharacterisationPublication . Pinto, Daniel Fernando Moreira; Pereira, João Pedro Nunes; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Parente, João Miguel NunesThe aeronautical industry holds safety as its core and its main drive for innovation, with sensors, materials science and self-governance to ensure safe travel through the skies. However, operational costs and maintenance requirements increase proportionally with the increase of number of sensors, which is a growing concern and makes cost-effective solutions desirable. This dissertation aims to advance the knowledge and viability of a promising candidate to resolve this issue, studying a type of what are called self-sensing materials as an alternative to the conventional structural health monitoring (SHM) sensors. This material is a type of piezoresistive nanocomposite (PNC) that, in theory, could replace an airplanes’ complicated arrays of sensors while providing even better performance. However, PNCs have a glaring fault that is hindering their commercial availability, namely their perceptual conditioning of operational temperature. Current state of the art has mostly neglected this correlation, especially in the SHM sector, an oversight that this dissertation aims to rectify. For this reason, electromechanical properties of a PNC specimen made of glass-fibre epoxy resin with 0.5%𝑤𝑡 multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) as filler were thoroughly tested at three different test temperatures: 30°𝐶, 50°𝐶 and 70°𝐶. The experimental analysis, static and cyclical tests, revealed that temperature has a profound effect on sensing performance, outlining key factors of response change with temperature variation. Three gauge factors (GF) were calculated, one for each temperature, with values ranging from a maximum of 2.42 to a minimum of 0.83. For a broader scope on this effect, multiple variations of the basic three-point bending (3PB) tests were performed to determine which factors were application-specific and which were constant.
- Effects of Wing-Fuselage Interface Position on Lift and DragPublication . Bombas, Rodrigo Manuel Cação do Carmo; Gamboa, Pedro VieiraThe interference effect between two aircraft components has become increasingly relevant in the design process, in parallel with the advances in aerodynamic efficiency observed over the last decades. In order to understand how this phenomenon manifests itself in small aircraft operating at low Reynolds numbers, a study was carried out on the influence of wing position relative to the fuselage, as well as the effect of fairings at the interface between the two components and the fuselage cross-section on interference drag. To determine the most favourable wing–fuselage interface positions in terms of drag and lift—considering also two types of fairings and fuselage cross-sections—the aircraft provided by the UBIAT team was modelled in CATIAV5. A simplified model was developed that nonetheless preserved the essential features of the real aircraft. The geometry was then prepared in Ansys Discovery to define the body of influence, the simulation volume, and the boundary conditions. This setup was subsequently imported into Ansys Fluent, where the computational mesh was generated according to a previously conducted mesh-independence study. The CFD simulations were performed using the k − ω SST turbulence model with standard parameters, including corrections for transitional flow and low Reynolds number regimes. Four alternative wing–fuselage interface configurations, in addition to the baseline case, were analysed: two vertical and two horizontal. The vertical configurations were further assessed with fairings and with a circular fuselage cross-section. The results regarding wing–fuselage positioning for both fuselage geometries were consistent with expectations and supported by literature. As for the introduction of fairings, both were found to improve aerodynamic efficiency, although the results did not fully align with published references. The main conclusions drawn from this work are the advantage of a high-wing configuration when interfaced with a square fuselage cross-section, and of a mid-wing configuration when interfaced with a circular fuselage cross-section. The addition of fairings yielded improvements of up to 4.7% in aerodynamic efficiency for the high-wing configuration with a square-section fuselage, while their effect was negligible for the other vertical positions.
- Development and Experimental Study of a Series-Parallel Hybrid Powertrain Prototype Using a Planetary GearsetPublication . Pereira, Simão Ribeiro; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro ProençaIn recent years, unmanned aerial vehicles (UAVs) have emerged as a versatile solution across a wide range of applications. Their adaptability, safety, and cost-efficiency make them particularly valuable in complex or hazardous environments. At the same time, growing environmental concerns and the global push toward reducing greenhouse gas emissions have sparked interest in more sustainable propulsion technologies. While electric UAVs represent a promising convergence of innovation and ecological responsibility, these still present several limitations such as payload capacity and endurance. In this regard, fuel-electric hybrid UAVs present an auspicious alternative, covering the disadvantages of electric UAVs and being more environmental-friendly than UAVs powered exclusively by fossil fuels. This dissertation presents the design, development, and experimental validation of a prototype series-parallel hybrid powertrain integrating a planetary gearset. The system combines an internal combustion engine (ICE) with two electric motors (MG1 and MG2), enabling multiple operating modes: series hybrid, parallel hybrid, electric-only, and engine start; without altering the mechanical configuration. Inspired by the Toyota Hybrid System, the planetary gearset serves as a power-split device, allowing dynamic energy distribution among the powerplants. The prototype was constructed using a combination of 3D-printed components and custom-machined parts, with control implemented via manual throttles and a microcontroller-based data acquisition system. Despite adverse events that restricted the system’s idealized operation, there were obtained results that validate the core functionality of the hybrid architecture and highlight key areas for improvement, including material durability, sensor reliability, and control automation. This work lays the foundation for future iterations aimed at UAV integration and enhanced energy efficiency.
- LSTM Based Trajectory Prediction for Aerospace Vehicle ReentryPublication . Coelho, João Pedro Monteiro; Bousson, KouamanaDue to the rapid development of the machine learning field, its applications in trajectory prediction are now a matter of focus in academia and industry. In order to further broaden previous research, focusing more on a lower-atmosphere approach, this thesis aims to develop a model more focused on the latter steps of the reentry phase. The main objective is to create a deep learning model to predict the next position of the reentry aerospace vehicle based on a set of three previous positions. In order to test the robustness of this model, a Kullback-Leibler (Jensen-Shannon) divergence test was applied to each of the prediction models. The results were 6.07 and 0.492 for the UARS and KOSMOS 482 satellites, respectively. The results show a good degree of correspondence between the training and test sets, implying that the learning process was well done. However, should a similar study be conducted, efforts should be taken to obtain more realistic data, whether through more complex simulation, or using real sensor input. This thesis made use of the Dryden turbulence model, as well as many atmospheric models such as the International Civil Aviation Organization and the United States of America 1976. Long-Short Term Memory was the chosen recurrent neural network to have the evolution through time into account, having a dedicated section to its creation and analysis. The optimization and regularization processes are also presented, making use of the Tree-Structured Parzen Estimation to tune hyperparameters present in the model such as loss functions and ratio, number of hidden layers and their inputs, batch size and optimization models. Due to the absence of a sufficiently broad data pool to train this model, a chapter dedicated to the simulation procedures was also written, describing the algorithm used for it. The satellites chosen to test this model were UARS and KOSMOS 482, choosing initial conditions based on their latest recorded orbit epochs, varying the true anomaly and therefore obtaining about 1500000 inputs divided between training and testing the model. For the LSTM architecture, a MISO approach was taken due to dimensionality, dividing the trained model into three separate position predictions (x, y and z) in a time step of 0.1 seconds.
- Fisiologia de Voo: Efeitos da Altitude na Pressão Intraocular e nas Estruturas Peripapilares - Estudo com Tomografia de Coerência Ótica e Técnicas de Análise DigitalPublication . Marques, Miguel Santiago; Almeida, Vasco Miguel Nina de; Ribeiro, João Manuel da Costa; Silva, Jorge Miguel dos Reis; Soares, Ivo Miguel da Fonseca GravitoNa aviação, os voos comerciais atingem habitualmente tetos máximos próximos dos 12km de altitude. A estas altitudes, a atmosfera terrestre apresenta condições extremamente adversas e incompatíveis com a vida humana, motivo pelo qual os aviões estão equipados com sistemas de pressurização que mantêm a altitude de cabine a níveis inferiores. Ainda assim, o ambiente de pressão sentido pela tripulação e passageiros encontra-se normalmente entre os limites de 1800 e 2100m de altitude equivalente. Neste contexto, o presente trabalho procurou responder a uma questão central: verificar se a subida em altitude pode induzir alterações fisiológicas ao nível ocular, com especial enfoque nas camadas retinianas da região peripapilar junto à cabeça do nervo ótico. Pretendeu-se obter resultados em ambiente de montanha que pudessem ser extrapolados para a aviação. Para tal, foi delineado e seguido um plano experimental com 30 participantes voluntários, alunos da Universidade da Beira Interior, com idades compreendidas entre os 18 e os 25 anos. Estes foram submetidos a medições oculares em duas condições ambientais distintas, ao longo de três semanas consecutivas: em ambiente basal, nas instalações da universidade a 700m de altitude (1.ª e 3.ª semana), e em altitude, na Torre da Serra da Estrela a 1993m (2.ª semana), valor que se encontra dentro da faixa de altitude de pressão de cabine referida. As medições incluíram pressão intraocular (PIO), saturação periférica de oxigénio, frequência cardíaca, densidade vascular e volume das camadas retinianas na região peripapilar. Para tal, foram utilizados um aparelho de tomografia de coerência ótica, um tonómetro de sopro e um oxímetro digital, sendo todas as medições realizadas por um especialista. Os dados obtidos foram posteriormente analisados com recurso a algoritmos desenvolvidos especificamente para este estudo, garantindo maior rigor na comparação entre os diferentes dias experimentais. A análise estatística foi conduzida em linguagem Python, aplicando métodos paramétricos ou não paramétricos conforme a normalidade dos dados. Os resultados obtidos confirmaram a hipótese de que a subida em altitude induz alterações fisiológicas oculares. Observaram-se diferenças significativas em todos os parâmetros avaliados. A pressão intraocular (PIO) diminuiu após quatro horas de permanência em altitude, tendo sido registadas de igual forma diminuições na frequência cardíaca e na saturação periférica de oxigénio. A densidade vascular apresentou variações significativas na zona superior e na máscara total da camada profunda da retina, bem como na máscara total considerando a totalidade das camadas em estudo. Por fim, o volume retiniano mostrou alterações nas regiões nasais tanto na camada superficial como total.
- Fisiologia de Voo: Efeitos da Exposição à Altitude na Mácula e na Pressão IntraocularPublication . Rebelo, Inês Cabral de Medeiros; Almeida, Vasco Miguel Nina de; Ribeiro, João Manuel da Costa; Silva, Jorge Miguel dos Reis; Soares, Ivo Miguel da Fonseca GravitoA exposição humana a altitudes elevadas, como as encontradas em voos comerciais ou em ambientes montanhosos, induz alterações fisiológicas que podem afetar diversos sistemas do organismo, incluindo o sistema visual. A retina, por ser altamente dependente de uma boa oxigenação, é particularmente vulnerável às variações de pressão atmosférica e de oxigénio que ocorrem com a altitude. Esta dissertação apresenta um estudo pioneiro em território nacional que visa investigar os efeitos da altitude na mácula e na pressão intraocular, com especial enfoque nas alterações estruturais e vasculares da retina. O trabalho foi desenvolvido com base em medições realizadas em três momentos distintos: duas fases em baixa altitude (Universidade da Beira Interior, 700 metros) e uma fase em altitude elevada (Serra da Estrela, 1993 metros), considerada representativa das condições encontradas em cabines de aeronaves comerciais. Foram utilizados equipamentos especializados, como o tomógrafo de coerência ótica (OCT) e o tonómetro de sopro, para recolha de dados estruturais e funcionais da retina, bem como medições de saturação de oxigénio e frequência cardíaca. Para garantir rigor analítico, foram desenvolvidos algoritmos próprios em MATLAB para o cálculo da densidade vascular e do volume retiniano, superando limitações dos softwares nativos dos equipamentos. A análise estatística foi conduzida com base em testes de normalidade, tendo sido aplicados métodos paramétricos ou não paramétricos conforme a distribuição dos dados. Os resultados revelaram alterações significativas em parâmetros específicos, como a densidade vascular na zona nasal da camada profunda da retina e o volume na zona central da mesma camada, sugerindo que a exposição à altitude pode induzir modificações fisiológicas na retina. A pressão intraocular também apresentou variações significativas em determinados horários, reforçando a necessidade de compreender melhor os efeitos da altitude na saúde ocular. Este estudo contribui para o aprofundamento do conhecimento sobre a resposta da retina às condições de altitude, com implicações relevantes para a medicina aeronáutica, oftalmologia preventiva e segurança em ambientes de elevada altitude.
- The airport impact on employment on an insular region: the case of Ponta Delgada Airport, AzoresPublication . Patrício, Maria Leonor Cabral; Brito, Eliane Gomes de; Silva, Jorge Miguel dos ReisNowadays, airports are essential infrastructures in a region’s development. In addition to operating and managing passenger and cargo air transport, airports are hubs for companies, services, and people. Thus, it’s possible to understand the overall economic, social, and environmental impacts of an airport on a region, especially those small metropolitan areas like islands. In the present study, the focus was on the direct economic impact of the airport, assessed by the employment rate. For this purpose, this investigation focuses on the case of Ponta Delgada Airport to examine the effect of an airport on an insular region, with a particular emphasis on the direct employment it generates. The data used was gathered through surveys conducted among companies operating in the airport facilities to determine the evolution of the number of people employed over the years. The linear regression model outcome suggests that the number of job positions at João Paulo II Airport increases linearly with the increase in passenger numbers. As found in the literature, direct employment generated by the rise in traffic contributes to the development of airport-related sectors and the tourism industry. Fundamentally, João Paulo II Airport has a positive impact on the economic growth of São Miguel Island. These outcomes reinforce the evidence found in the literature and highlight the relevance of airports in insular regions, where passenger traffic is primarily driven by air transport.
- Weight Estimation of a Twin-body Liquid Hydrogen Airliner “Gondola”Publication . Ferreira, Leonardo Rodrigo Sousa; Magalhães, Leandro Barbosa; Nangia, Raj; Silva, André Rodrigues Resende daThe following dissertation addresses the use of hydrogen in the aeronautical sector, presenting the environmental objectives intended to be achieved and disseminating the scientific history regarding the emergence of new aircraft concepts or the adaptation of existing ones. Of the proposed configurations, this work is dedicated to the new concept of a doublefuselage asymmetrical aircraft powered by liquid hydrogen—the “Gondola” Airliner. In this document, a preliminary study estimates the mass of this new configuration, highlighting the precision of Torenbeek’s method used to calculate the mass of the “Gondola” fuselage and the application of Breguet’s range equation for the required fuel valuation. Having estimated the mass of the novel configuration, its longitudinal mass distribution was compared with the equivalent Airbus model, the A320, following the longitudinal segmentation method proposed in the A320 weight and balance manual. Considering that hydrogen is not stored in the aircraft’s wings and that its tanks significantly contribute to the weight of the new configuration, the longitudinal mass distribution of the two aircraft, while having a similar profile, primarily differs in the regions where the hydrogen tanks are located. Posteriorly, once the required fuel estimate was reached and considering the scalability of the aircraft structure for other flight missions, the main task of this work was executed, which is related to the three-dimensional preliminary design of the new aircraft model, using the Catia V5 software. The creation of 3D models of the new configuration and the A320 aims at a future aerodynamic comparison study, using a CFD tool.
- Influência do Combustível na Emissão de Poluentes em Motores Foguete HíbridosPublication . Barbosa, Bernardo Rocha Aguiar; Brojo, Francisco Miguel Ribeiro ProençaO estudo começou com um enquadramento teórico dos principais pontos da atualidade dos motores foguete híbridos. O enquadramento realça os principais combustíveis utilizados nesta indústria, bem como algumas das aplicações dos motores foguete híbridos. As atuais desvantagens deste tipo de propulsão são também enumeradas, onde consta também a necessidade de uma maior preocupação com a sustentabilidade quer a nível de emissões quer a nível da origem dos propelentes. Da bibliografia consultada surgiram quatro alternativas de combustível que foram analisadas posteriormente juntamente com o grupo de controlo. Numa primeira fase cada mistura foi simulada, sendo cada parâmetro da simulação descrito em cada secção, de modo a obter o seu ponto ótimo. Após a definição do ponto ótimo todas as misturas foram comparadas cada uma na sua composição ideal com a finalidade de descobrir qual a mais equilibrada em termos de desempenho e sustentabilidade.