[pt] Redes de Bragg em fibras ópticas (RBF) são formadas por modulações periódicas introduzidas no índice de refração do núcleo de fibras ópticas. Estes componentes comportam-se como filtros espectrais de banda passante, ou seja, quando iluminados por um sinal óptico de banda larga, refletem apenas uma fina fatia espectral de luz, cujo centro, o comprimento de onda de Bragg, é proporcional ao período espacial da modulação no índice de refração. As RBF têm encontrado aplicações importantes no sensoriamento das mais diversas grandezas, sendo hoje utilizadas em sistemas de monitoramento para vários segmentos industriais, tais como os setores de petróleo e gás, construção civil e aeroespacial, que, estima-se, respondem em conjunto por cerca de 70% destas aplicações. Em diversas situações o sensoriamento com RBF baseia-se em medidas indiretas da grandeza de interesse, sendo empregados mecanismos de transdução que transformam variações do mensurando em deformações na fibra óptica. Nestes casos, um problema que deve ser tratado com atenção é o acoplamento entre temperatura e deformação, uma vez que as RBF são sensíveis a estas duas variáveis. Não raro, a alternativa é utilizar simultaneamente duas RBF para obter-se a compensação de temperatura na medida de deformação. Este trabalho apresenta um estudo sobre deformações não homogêneas em redes de Bragg e discute aplicações de duas técnicas que podem ser utilizadas como alternativas para eliminar o efeito da temperatura no sensoriamento de deformação com apenas uma RBF. A primeira delas explora a birrefringência óptica induzida na RBF por carregamentos transversais à fibra óptica. A segunda baseia-se nos efeitos sobre o espectro refletido pela rede de Bragg quando submetida a um campo de deformações longitudinais não uniformes ao longo da direção axial da fibra óptica. No trabalho são apresentados protótipos e dispositivos que exploram tais técnicas para a medida simultânea de pressão e temperatura. Esses protótipos foram projetados com auxílio de ferramentas CAD e modelados utilizando-se o método de elementos finitos em conjunto com a teoria de modos acoplados da Rede de Bragg. As previsões obtidas utilizando-se estes modelos mostraram-se bastante próximas dos resultados das implementações experimentais dos protótipos, indicando que a metodologia de modelagem desenvolvida pode ser aplicada nos projetos de transdutores baseados nas duas técnicas estudadas. / [en] Fiber Bragg gratings (FBG) are modulations in the effective refractive index of optical fibers, introduced in a small length along the fiber core. Such components operate as narrow band reflective filters, that is, when illuminated by a broad-band light source, they reflect a narrow spectral band centered at a specific wavelength, the Bragg wavelength. This wavelength is proportional to the spatial period of the refractive index modulation. Fiber Bragg gratings have find an increasing number of applications as sensors for different quantities, and today are being employed as part of permanent, real time monitoring systems in various industrial segments. The oil and gas sector, together with civil infrastructure and aeronautics and aerospace, account for almost 70% of this applications. In a number of situations, FBG sensing is based on indirect measurements of the quantity being monitored, and a transduction mechanism is employed to transform changes in the measured quantity in strain sensed by the optical fiber. Since the FBG is sensitive to strain and temperature, proper temperature compensation is always necessary. Usually, a second grating is employed to simultaneously measure temperature and strain, performing the required compensation. This thesis presents a study on effects due to non- homogeneous strains in the Bragg grating and discusses application of two different techniques, based on these effects, to allow temperature compensated strain measurement using a single FBG. The first technique explores strain induced optical birefringence when the fiber is loaded transversely. The second technique is based on changes in the spectral shape of the light signal reflected by the grating when subjected to non homogeneous axial strain fields. Prototypes of pressure and temperature transducers based on these techniques have been developed. These prototypes have been designed by employing CAD techniques and modeled using the finite element method in conjunction with the theory of coupled modes for fiber Bragg gratings. Comparisons between results provided by theoretical models and experimental realizations of the prototypes are very close, demonstrating that the developed approach can be applied to design transducers based on the discussed techniques. Results obtained with the proposed pressure and temperature sensors are also encouraging indicating that the two techniques are suitable for industrial applications.

O objetivo deste trabalho é investigar o controle ativo de vibração em uma pá inteligente de helicóptero. O desenvolvimento de materiais inteligentes para trabalharem como sensores e atuadores apresentam uma nova alternativa no controle de vibração. A pá de helicóptero é modelada pelo método dos elementos finitos, considerando os movimentos de batimento, flexão no plano de rotação, estiramento axial e torção. O modelo da pá considera também ângulo de torção geométrica, não coincidência entre os eixos, elástico e do centro de gravidade das seções transversais e material isotrópico. O modelo matemático é desenvolvido, e nele é incorporado atuadores piezelétricos distribuídos ao longo da envergadura da pá. O controle ativo de vibração é baseado no controle individual da pá na condição de vôo pairado. As matrizes de elementos finitos são obtidas pelo método de energia e um procedimento de linearização é aplicado às equações resultantes. O carregamento aerodinâmico linearizado é calculado para a condição de vôo pairado e a representação no espaço de estados é usada para o projeto de um controlador. Usou-se a técnica de atribuição da autoestrutura por realimentação de saída no modelo de ordem reduzida, resultado da aplicação do método da expansão por frações parciais. As simulações do modelo em malha aberta e fechada, exibiu boas qualidades de resposta, o que mostra que o controle ativo é uma boa alternativa para a redução de vibrações em helicópteros. / The objective of this work is to investigate the performance of a smart helicopter blade. Developments on smart materials for both sensing and/or actuation have provided a novel alternative in vibration control. The helicopter blade is modeled by the finite element method, considering the motions of flapping, lead-lagging, axial stretching, and torsion. The blade model also considers a pretwist angle, offset between mass and elastic axes, and isotropic material. The helicopter blade mathematical model allows the incorporation of piezoelectric actuators distributed along the blade span. The active vibration control is based on the premise of individual blade control and the investigation is carried out for hovering flight condition the finite element matrices are obtained by energy methods and a linearization procedure is applied to the resulting expressions. The linearized aerodynamic loading is calculated for hover and the state-space approach is used to design the control law. The eigenstructure assignment by output feedback is used in the blade-reduced model resulting from the application of the expansion method by partial fractions. The simulations for open and closed-loop systems are presented, having exhibited good response qualities, which shows that output feedback is a good alternative for smart helicopter blade vibration attenuation.

A utilização de materiais piezoelétricos, na função de sensores e atuadores distribuídos, para o controle e monitoramento de vibrações estruturais tem um enorme potencial de aplicação nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, automobilística e eletroeletrônica. O uso de sensores piezoelétricos integrados para monitoramento de integridade estrutural (ou detecção de falhas), em particular, tem evoluído bastante na última década. Por conseguinte, o número de técnicas utilizadas para esse fim são as mais variadas possíveis. Dentre elas estão às técnicas que avaliam o efeito dos danos em baixa freqüência usando parâmetros modais, em especial freqüências naturais e modos, ou em média-alta freqüência medindo-se a impedância/admitância eletromecânica. O objetivo dessa dissertação é desenvolver, com auxílio de um modelo 2D ANSYS em elementos finitos, uma análise de diferentes técnicas para detecção da posição e tamanho da delaminação em estruturas compósitas utilizando pastilhas piezoelétricas. Várias métricas e técnicas são avaliadas em termos de sua capacidade de identificar, com relativa acurácia, a presença, localização e severidade do dano. Os resultados mostram que ambas as técnicas modal e baseada na impedância são capazes de identificar a presença de danos do tipo delaminação, desde que as pastilhas piezoelétricas estejam próximas do dano. Também é mostrado que as técnicas baseadas na impedância parecem ser mais eficientes do que as modais para detecção da posição e tamanho da delaminação. / The use of piezoelectric materials in the function of distributed sensors and actuators for the control and monitoring of structural vibrations has enormous potential for application in the aeronautical, aerospace, automotive and electronics. The use of integrated piezoelectric sensors for structural health monitoring (or damage detection), in particular, has evolved greatly over the last decade. Consequently, the numbers of techniques used for this purpose are highly diverse. Among them are techniques that evaluate the effect of damages on low frequency modal parameters, especially natural frequencies and mode shapes, or on medium-high frequency measurements of electromechanical impedance/admittance. The objective of this dissertation is to perform, with the aid of a 2D ANSYS finite element model, an analysis of different techniques for the detection of position and size of a delamination in a composite structure using piezoelectric patches. Several metrics and techniques are evaluated in terms of their capability of identifying, with relative accuracy, the presence, location and severity of the damage. Results show that both modal and impedance-based techniques are able to identify the presence of the delamination-type damages, provided the piezoelectric patches are close enough to the damage. It is also shown that impedance-based techniques seem more effective than modal ones for the detection of delamination position and size.

"Maintaining an efficient and reliable infrastructure requires continuous monitoring and control. In order to accomplish these tasks, algorithms are needed to process large sets of data and for modeling based on these processed data sets. For this reason, computationally efficient and accurate modeling algorithms along with data compression techniques and optimal yet practical control methods are in demand. These tools can help model structures and improve their performance. In this thesis, these two aspects are addressed separately. A principal component analysis based adaptive neuro-fuzzy inference system is proposed for fast and accurate modeling of time-dependent behavior of a structure integrated with a smart damper. Since a smart damper can only dissipate energy from structures, a challenge is to evaluate the dissipativity of optimal control methods for smart dampers to decide if the optimal controller can be realized using the smart damper. Therefore, a generalized deterministic definition for dissipativity is proposed and a commonly used controller, LQR is proved to be dissipative. Examples are provided to illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and evaluating the dissipativity of LQR control method. These examples illustrate the effectiveness of the proposed modeling algorithm and dissipativity of LQR controller."

Submitted by ANA PAULA ALVES GUIMARÃES null (annapaulasun@gmail.com) on 2017-02-04T20:28:04Z No. of bitstreams: 1 dissertação-final.pdf: 4630588 bytes, checksum: 8c2806b890a1b7889d8d26b4a11e97bf (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-02-07T13:18:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 guimaraes_apa_me_ilha.pdf: 4630588 bytes, checksum: 8c2806b890a1b7889d8d26b4a11e97bf (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-07T13:18:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 guimaraes_apa_me_ilha.pdf: 4630588 bytes, checksum: 8c2806b890a1b7889d8d26b4a11e97bf (MD5) Previous issue date: 2016-12-20 / O monitoramento da condição estrutural é uma área que vem sendo bastante estudada por permitir a construção de sistemas que possuem a capacidade de identificar um determinado dano em seu estágio inicial, podendo assim evitar sérios prejuízos futuros. O ideal seria que estes sistemas tivessem o mínimo de interferência humana. Sistemas que abordam o conceito de aprendizagem têm a capacidade de serem autômatos. Acredita-se que por possuírem estas propriedades, os algoritmos de aprendizagem de máquina sejam uma excelente opção para realizar as etapas de identificação, localização e avaliação de um dano, com capacidade de obter resultados extremamente precisos e com taxas mínimas de erros. Este trabalho tem como foco principal utilizar o algoritmo support vector machine no auxílio do monitoramento da condição de estruturas e, com isto, obter melhor exatidão na identificação da presença ou ausência do dano, diminuindo as taxas de erros através das abordagens da aprendizagem de máquina, possibilitando, assim, um monitoramento inteligente e eficiente. Foi utilizada a biblioteca LibSVM para análise e validação da proposta. Desta forma, foi possível realizar o treinamento e classificação dos dados promovendo a identificação dos danos e posteriormente, empregando as predições efetuadas pelo algoritmo, foi possível determinar a localização dos danos na estrutura. Os resultados de identificação e localização dos danos foram bastante satisfatórios. / Structural health monitoring (SHM) is an area that has been extensively studied for allowing the construction of systems that have the ability to identify damages at an early stage, thus being able to avoid serious future losses. Ideally, these systems have the minimum of human interference. Systems that address the concept of learning have the ability to be autonomous. It is believed that by having these properties, the machine learning algorithms are an excellent choice to perform the steps of identifying, locating and assessing damage with ability to obtain highly accurate results with minimum error rates. This work is mainly focused on using support vector machine algorithm for monitoring structural condition and, thus, get better accuracy in identifying the presence or absence of damage, reducing error rates through the approaches of machine learning. It allows an intelligent and efficient monitoring system. LIBSVM library was used for analysing and validation of the proposed approach. Thus, it was feasible to conduct training and classification of data promoting the identification of damages. It was also possible to locate the damages in the structure. The results of identification and location of the damage was quite satisfactory.

This dissertation addresses new developments in the constitutive modeling and structural analysis pertaining to rate-independent and rate-dependent irrecoverable inelasticity in Shape Memory Alloys (SMAs). A new model for fully recoverable SMA response is derived that accounts for material behaviors not previously addressed. Rate-independent and rate-dependent irrecoverable deformations (plasticity and viscoplasticity) are then considered. The three phenomenological models are based on continuum thermodynamics where the free energy potentials, evolution equations, and hardening functions are properly chosen. The simultaneous transformation-plastic model considers rate-independent irrecoverable strain generation and uses isotropic and kinematic plastic hardening to capture the interactions between irrecoverable plastic strain and recoverable transformation strain. The combination of theory and implementation is unique in its ability to capture the simultaneous evolution of recoverable transformation strains and irrecoverable plastic strains. The simultaneous transformation-viscoplastic model considers rate-dependent irrecoverable strain generation where the theoretical framework is modfii ed such that the evolution of the viscoplastic strain components are given explicitly. The numerical integration of the constitutive equations is formulated such that objectivity is maintained for SMA structures undergoing moderate strains and large displacements. Experimentally validated analysis results are provided for the fully recoverable model, the simultaneous transformation-plastic yield model, and the transformation-viscoplastic creep model.

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. College of Architecture, Art and Design. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this study the possible use of smart structures for noise control in a higher order acoustic duct was considered. The best option for this control was the use of axial splitters in the duct in order to prevent higher order mode propagation. It is possible to perform the active noise control in each splitter section by using a single channel control system. The use of smart structures takes advantage of the splitter plate and uses it as the control source, which substitutes the traditional loudspeakers used in active noise control systems. In order to evaluate the possibility of the noise control using smart structures, an analytical model of a thin plate with piezoelectric actuators was built then the acoustic field generated by this vibrating structure inside of the duct was obtained. However, to obtain the acoustic field inside an splitted duct, a numerical method such as the Component Mode Synthesis has to be used. Using the equation of the acoustic field generated in the duct by the plate, it was possible to obtain the acoustic field inside the splitted duct. After that, the active noise control simulations for harmonic excitations were performed and the influence of the size of the plate excited by the PZT actuators was studied. Finally the active control for random noise was simulated, in which the number of actuators in the plate was changed. In conclusion, it is possible to say that the smart structures can be used in active noise control of ducts with splitters and the advantages and disadvantages of the conveyed technique were presented. / Neste trabalho, foi estudada a proposta da utilização de estruturas inteligentes para o controle de ruído em um duto acústico com propagação de modos de alta ordem. A técnica mais adequada para este controle foi o particionamento do duto a fim de planificar as ondas que se propagam. Nesta região particionada, é possível realizar o controle ativo de ruído utilizando apenas um sensor e um atuador para cada lado da partição. A aplicação das estruturas inteligentes é proposta no sentido de aproveitar a placa particionadora para que, com a sua vibração, atuará como a fonte secundária necessária para o controle. Para a avaliação da possibilidade de controle utilizando esta técnica, primeiramente foi modelado o comportamento de uma placa instrumentada com atuadores piezoelétricos e, em seguida, obtida a modelagem analítica do campo sonoro gerado por uma estrutura vibrante no interior de um duto. Porém, a obtenção do campo acústico em um duto particionado não é facilmente obtido, sendo, então, realizada através da técnica de Síntese Modal de Componentes. Utilizando as equações do duto excitado por uma estrutura vibrante na técnica de síntese modal, foi possível obter campo acústico gerado no interior de um duto particionado. A partir disto, foram realizados simulações de controle ativo de ruído variando o trecho da placa a ser excitado para tons puros e para ruídos de banda estreita. Nesta última situação também foi avaliada a influência da quantidade de atuadores instalados. Concluiu-se deste trabalho que é possível a utilização de estruturas inteligentes no controle ativo de ruído em dutos particionados, sendo apresentadas suas vantagens e desvantagens. / Mestre em Engenharia Mecânica

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-09T14:06:57Z No. of bitstreams: 1 ARMANDO WILMANS NUNES DA FONSECA JÚNIOR - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5713433 bytes, checksum: aba957d62b27260ecd8141ce8547fa05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-09T14:06:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ARMANDO WILMANS NUNES DA FONSECA JÚNIOR - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5713433 bytes, checksum: aba957d62b27260ecd8141ce8547fa05 (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / Capes / No decorrer dos anos, com a construção de pontes cada vez mais longas e leves, o comportamento dinâmico passa a ser um fator limitante no projeto dessas estruturas. Portanto, é de grande interesse que sistemas de controle de vibrações estruturais sejam desenvolvidos. Entre os vários materiais utilizados atualmente para supressão de vibrações, estão as ligas com memória de forma (LMF). Estas vêm ganhando popularidade graças a sua capacidade de sofrer grandes deformações reversíveis, aliadas às suas propriedades de dissipação de energia. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo realizar o controle passivo de vibrações num protótipo de ponte estaiada, em escala reduzida, utilizando molas superelásticas de uma LMF Ni-Ti (Nitinol). Foram realizadas análises dinâmicas na estrutura utilizando ferramentas analíticas, numéricas e experimentais. Nos resultados experimentais, obteve-se uma redução de até 75% de transmissibilidade de força em vibração livre, em comparação com a estrutura com molas equivalentes, de aço. Em vibração forçada, o valor de redução de transmissibilidade de força chegou a um máximo de 85,5%. Os resultados numéricos mostraram boa coerência na determinação dos parâmetros modais da estrutura e na resposta em vibração livre, com maior erro associado aos resultados em vibração forçada, mais especificamente no segundo modo de vibrar do sistema. Concluiu-se que as molas de LMF têm capacidade de dissipação de energia vibracional para a aplicação em estruturas de pontes e os modelos numéricos permitem uma boa previsão da resposta da estrutura. / Over the years, with the construction of increasingly longer and lighter bridges, dynamic behavior becomes a limiting factor in the design of these structures. Therefore, it is important that structural vibration control systems are developed. Among the various materials currently used for vibration suppression are the shape memory alloys (SMA). These have been gaining popularity as a result of their ability to undergo large reversible deformations, coupled with their energy dissipating properties. In this context, the objective of this dissertation is to perform the passive vibration control of a cable-stayed bridge prototype, in small scale, using SMA Ni-Ti (Nitinol) superelastic springs. Dynamic analyses were performed using analytical, numerical and experimental tools. In the experimental results, a reduction of 75% of force transmissibility in free vibration was obtained, compared to the structure with equivalent steel springs. In forced vibration, the value of reduction of force transmissibility reached a maximum of 85.5%. The numerical results showed good coherence in the determination of the modal parameters of the structure and the response of the latter in free vibration, with the largest error associated to the second mode of vibration of the structure, in forced vibration. It was concluded that the SMA springs have the capacity to dissipate vibrational energy, for the application in bridges structures, and the numerical models allow a good prediction of the structure response.

O principal objetivo do controle de vibrações é a sua redução ou minimização, através da modificação automática da resposta estrutural. Em muitas situações isto é necessário para promover a estabilidade estrutural, e para alcançar o alto desempenho mecânico necessário em diversas áreas técnicas, tais como a engenharia aeroespacial, civil e mecânica, bem como a biotecnologia, inclusive em escala micro e nano mecânica. Uma alternativa é o uso de estruturas inteligentes, que são o resultado da combinação de sensores e atuadores integrados em uma estrutura mecânica, e um método de controle adequado. O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de rotinas computacionais para a simulação, via método dos elementos finitos, do controle ativo de estruturas inteligentes de cascas, placas e vigas delgadas de material compósito laminado com camadas de material piezoelétrico como sensores e/ou atuadores. Caracterizam esta pesquisa a utilização do elemento GPL-T9 de três nós e seis graus de liberdade mecânicos por nó, mais um grau de liberdade elétrico por camada piezoelétrica, assim como a avaliação de dois métodos de controle, o Proporcional-Integral-Derivativo (PID) e o Regulador Quadrático Linear ou Linear Quadratic Regulator (LQR), incluindo o LQR Modal, e a otimização da localização de pastilhas piezoelétricas através de um Algoritmo Genético (AG). Várias aplicações são apresentadas e os resultados obtidos são comparados aos disponíveis na literatura especializada. / The main objective of vibration control is its reduction or even its minimization by the automatic modification of the structural response. Sometimes this is necessary to increase structural stability and to attain a high mechanical behavior in several areas such as aerospace, civil and mechanical engineering, biotechnology, including macro, micro and nanomechanical scales. An alternative is to use a smart structure, which results of the combinations of integrated sensors and actuators in a mechanical structure and a suitable control method. Development of a computational code to simulate, using finite elements, the active control in smart structures such as slender shells, plates and beams of composite materials with embedded piezoelectric layers acting as actuators and sensors is the main objective of this work. This research is characterized by the use of the GPL-T9 element with three nodes and six mechanical degrees of freedom and one electrical degree of freedom per piezoelectric layer, by the evaluation of two control methods, the Proportional Integral Derivative (PID) and the Linear Quadratic Regulator (LQR), including the Modal LQR, and, finally by the optimization of piezoelectric patches placement using a Genetic Algorithm (GA). Several examples are presented and compared with those obtained by other authors.