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[pt] INSTABILIDADE E COMPORTAMENTO DINÂMICO NÃO LINEAR DE ESTRUTURAS MULTIESTÁVEIS / [en] INSTABILITY AND NONLINEAR DYNAMIC BEHAVIOR OF MULTI-STABLE STRUCTURES

CARLOS HENRIQUE LIMA DE CASTRO 17 June 2024 (has links)
[pt] Nos últimos anos, tem-se observado um interesse crescente em estruturas multiestáveis. Sistemas com múltiplas configurações de equilíbrio estável geralmente são obtidos através de uma cadeia de unidades biestáveis conectadas por elementos rígidos ou flexíveis. Entretanto, pouco se sabe sobre seu comportamento estático e dinâmico não linear. Neste trabalho realiza-se uma análise não linear estática e dinâmica detalhada de sistemas multiestáveis formados por duas unidades biestáveis abatidas, especificamente, duas treliças de von Mises ou dois arcos, conectados em ambos os casos por elementos rígidos ou flexíveis. Para isto, as equações não lineares de equilíbrio e de movimento são obtidas através do princípio da energia potencial estacionária e do princípio de Hamilton, respectivamente, considerando um material elástico linear. Utilizando algoritmos de continuação, os caminhos de equilíbrio são obtidos e a estabilidade analisada utilizando o princípio da energia potencial mínima. Múltiplos caminhos de equilíbrio são identificados, levando a múltiplas soluções coexistentes, estáveis e instáveis, e vales potenciais intimamente ligados às simetrias dos sistemas. O efeito das inevitáveis imperfeições iniciais é também esclarecido. As oscilações não lineares e as bifurcações dos sistemas sob carregamento harmônico são estudadas através de diagramas de bifurcação, mapas de Poincaré e bacias de atração. Estuda-se também o efeito do pré-carregamento estático na dinâmica global. Observam-se, em virtude de sequências de bifurcações emergindo de cada posição de equilíbrio estável, um elevado número de soluções coexistentes, periódicas e aperiódicas, levando a bacias de atração complexas e com amplas regiões fractais. Por um lado, estes cenários podem ser valiosos em diversas aplicações. Por outro, múltiplos atratores e suas bacias fractais podem levar à perda da estabilidade e integridade dinâmica. Desta forma, o conhecimento do comportamento estático e dinâmico não linear de sistemas multiestáveis é imprescindível em qualquer aplicação em engenharia. Como exemplo de aplicação, se utiliza um sistema formado por treliças de von Mises no processo de coleta de energia através de elementos piezoelétricos. O comportamento altamente não linear resulta em movimentos de grande amplitude para largas faixas de excitação, aumentando sua eficiência e aplicabilidade. / [en] In the last years, an increasing interest in multistable structures has been observed. Multistable systems are generally attained by a chain of bistable units connected by rigid or flexible elements. However, little is known about their nonlinear static and dynamic responses. In this work, a detailed nonlinear static and dynamic analysis of multistable systems formed by two shallow bistable units is conducted, specifically, two von Mises trusses or two arches, connected in both cases by rigid or flexible elements. For this, the nonlinear equilibrium equations and equations of motion are obtained through the principle of stationary potential energy and Hamilton s principle, respectively, considering a linear elastic material. Using continuation algorithms, the nonlinear equilibrium paths are obtained, and stability analyzed using the principle of minimum potential energy. Multiple equilibrium paths are identified, leading to several stable and unstable coexisting solutions and potential wells with are closely linked to the systems symmetries. The effect of unavoidable initial imperfections is also clarified. The nonlinear dynamics and bifurcations of systems under harmonic forcing are studied using bifurcation diagrams, Poincaré maps and cross-sections of the basins of attraction. The effect of a static pre-load on global dynamics is also studied. Due to the bifurcation sequences emerging from each stable equilibrium configuration, a high number of coexisting solutions are observed, both periodic and aperiodic, leading to complex basins of attraction with broadening fractal regions. On the one hand, these scenarios can be valuable in several applications. On the other hand, multiple attractors and their fractal basins can lead to the loss of stability and dynamic integrity. Therefore, knowledge on the nonlinear static and dynamic behavior of multistable systems is primordial in any engineering application. As an application example, a system composed by two von Mises trusses is used in the process of energy harvesting through piezoelectric elements. The highly nonlinear behavior results in large amplitude oscillations for a wide range of excitation frequency, increasing its efficiency and applicability.

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