O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

Existe necessidade de se desenvolver modelos teóricos e testes experimentais, que nos permitam ter plenas condições de melhor avaliar e concluir sobre o comportamento dinâmico dos ônibus, ao trafegar sobre diferentes pistas e realizar diversos tipos de manobras. O objetivo do trabalho é avaliar e otimizar simultaneamente o comportamento dinâmico lateral e vertical de um ônibus modelado como um sistema multicorpo. A metodologia utilizada no trabalho é dividida em duas partes. A primeira parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus que possa ser utilizado para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica lateral via programação matemática; o desenvolvimento de uma manobra do tipo mudança dupla de faixa - DLC (Double Lane Change), adaptada da combinação da norma ISO 3888-1:1999 que envolve mudança dupla de faixa para carros de passeio e a norma ISO 14791:2000 que envolve mudança simples de faixa para veículos comerciais, na ausência de normas específicas; e finalmente a validação de resultados através de testes experimentais e simulações computacionais. A segunda parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica vertical via programação matemática, neste caso sujeito a uma pista da classe C segundo classificação da norma ISO 8608:1995. Os resultados específicos da programação das manobras laterais do modelo de ónibus foram validados experimentalmente, bem como comparados através da simulação das manobras num modelo virtual implementado num software multicorpo comercial. O conjunto das soluções atingidas mostraram boa correlação, possibilitando a posterior otimização dos parâmetros concentrados da suspensão do modelo multicorpo de ônibus, através da técnica de algoritmos genéticos. A função objetivo implementada consiste da composição penalizada do valor RMS do ângulo de rolagem da manobra lateral quanto ao handling, e de parâmetros associados ao conforto e segurança, como o valor RMS da aceleração vertical, do deslocamento máximo da suspensão, e da deflexão máxima do pneu de forma a garantir aderência continua à pista. Os resultados otimizados dos parâmetros concentrados conseguem uma negociação dos objetivos conflitantes. / There is a need for theoretical models and experimental tests to be developed that allow for better assessments and conclusions about the dynamic behavior of buses driving on different lanes and performing various types of maneuvers. The purpose of this work is to evaluate and optimize both the lateral and the vertical dynamic behavior of a bus modeled as a multibody system. The methodology employed comprises two parts. The first part consists in programming a bus multibody model that can be used to optimize the lateral dynamic behavior of buses via mathematical programming; developing a type of maneuver known as Double Lane Change (DLC), adapted from a combination of the ISO 3888-1:1999 standard, which involves double lane changes for passenger cars, and the ISO 14791:2000 standard, which involves single lane changes for commercial vehicles, in the absence of specific standards; and lastly, validating the results by means of experimental tests and computational simulations. The second part consists in programming a bus multibody model to optimize the vertical dynamic behavior via mathematical programming, in this case for a class C road, according to the classification of the ISO 8608:1995 standard. The specific results of the programming of the lateral maneuvers of the bus model were validated experimentally and then compared with simulations of the maneuvers by a virtual model developed using commercial multibody software. The results showed a good correlation, enabling subsequent optimization of the lumped parameters of the suspension of the bus multibody model using the genetic algorithm optimization technique. The objective function consists of the penalized composition of some terms, including the RMS value of the roll angle of the lateral handling maneuver and of parameters associated with comfort and safety, such as the RMS value of vertical acceleration, the maximum suspension working space, and the maximum tire deflection to ensure continuous adherence on the road surface. The optimized results of the lumped parameters of the suspension enable an alignment of the conflicting goals.

[pt] Talhas são dispositivos mecânicos muito usados para carregar e descarregar objetos e/ou transportá-los em indústrias e em armazéns. O movimento da talha é controlado por um operador ou é programado e controlado automaticamente. Nos dois casos, o movimento da talha causa balanços indesejáveis da carga e da garra, levando a um tempo ocioso antes do agarramento e do posicionamento da carga, bem como podendo ocasionar o escape dos cabos das ranhuras das polias, sendo pois um problema de segurança. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos matemáticos que representam um sistema tipo pêndulo embarcado em um veículo que suporta uma carga suspensa por um ou mais cabos. A estrutura na qual se prende o ponto de fixação do cabo de sustentação, chamada de trolley, movimenta-se nas direções horizontal e vertical em função de excitações que são oriundas do movimento sofrido pelo veículo. Este veículo é representado por um outro modelo que está acoplado ao sistema do pêndulo. São projetadas leis de controle para cada um dos modelos criados para que sejam minimizadas as acelerações da carga suspensa. Um dos modelos criados representa uma maca com paciente, suspensos por cabo numa ambulância. A lei de controle deve dar conforto a este paciente ao ser transportado. Para avaliar e validar os modelos dinâmicos e os projetos de controle são realizadas várias simulações e análises experimentais. / [en] Cranes are very used mechanical devices to load and to unload objects and/or to carry them in industries and warehouses. The movement of the crane is controlled by an operator or is programmed and controlled automatically. In the two cases, the movement of the crane cause undesirable swings of the load and claw, leading to an idle time before the grasping and the positioning of the load, as well as being able to cause to the escape of the ropes of the grooves of the pulleys. This can cause a security problem. This work presents the development of mathematical models that represent a system like a pendulum, where the load is suspended by one or more ropes. The structure in which the point of attachment of the rope of sustentation, called trolley, have motion in the horizontal and vertical directions. These excitements are deriving of the movement suffered from another model that represents a vehicle that is coupled to the system of the pendulum. Laws of control are projected for each model created so that the accelerations of the suspended load are minimized. One of the models created represents a stretcher with patient suspended by rope in an ambulance. The control law must give comfort to this patient in the transport. To evaluate and to validate the dynamic models and the designs of control created some simulations and experimental analyses are carried through.

Existe necessidade de se desenvolver modelos teóricos e testes experimentais, que nos permitam ter plenas condições de melhor avaliar e concluir sobre o comportamento dinâmico dos ônibus, ao trafegar sobre diferentes pistas e realizar diversos tipos de manobras. O objetivo do trabalho é avaliar e otimizar simultaneamente o comportamento dinâmico lateral e vertical de um ônibus modelado como um sistema multicorpo. A metodologia utilizada no trabalho é dividida em duas partes. A primeira parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus que possa ser utilizado para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica lateral via programação matemática; o desenvolvimento de uma manobra do tipo mudança dupla de faixa - DLC (Double Lane Change), adaptada da combinação da norma ISO 3888-1:1999 que envolve mudança dupla de faixa para carros de passeio e a norma ISO 14791:2000 que envolve mudança simples de faixa para veículos comerciais, na ausência de normas específicas; e finalmente a validação de resultados através de testes experimentais e simulações computacionais. A segunda parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica vertical via programação matemática, neste caso sujeito a uma pista da classe C segundo classificação da norma ISO 8608:1995. Os resultados específicos da programação das manobras laterais do modelo de ónibus foram validados experimentalmente, bem como comparados através da simulação das manobras num modelo virtual implementado num software multicorpo comercial. O conjunto das soluções atingidas mostraram boa correlação, possibilitando a posterior otimização dos parâmetros concentrados da suspensão do modelo multicorpo de ônibus, através da técnica de algoritmos genéticos. A função objetivo implementada consiste da composição penalizada do valor RMS do ângulo de rolagem da manobra lateral quanto ao handling, e de parâmetros associados ao conforto e segurança, como o valor RMS da aceleração vertical, do deslocamento máximo da suspensão, e da deflexão máxima do pneu de forma a garantir aderência continua à pista. Os resultados otimizados dos parâmetros concentrados conseguem uma negociação dos objetivos conflitantes. / There is a need for theoretical models and experimental tests to be developed that allow for better assessments and conclusions about the dynamic behavior of buses driving on different lanes and performing various types of maneuvers. The purpose of this work is to evaluate and optimize both the lateral and the vertical dynamic behavior of a bus modeled as a multibody system. The methodology employed comprises two parts. The first part consists in programming a bus multibody model that can be used to optimize the lateral dynamic behavior of buses via mathematical programming; developing a type of maneuver known as Double Lane Change (DLC), adapted from a combination of the ISO 3888-1:1999 standard, which involves double lane changes for passenger cars, and the ISO 14791:2000 standard, which involves single lane changes for commercial vehicles, in the absence of specific standards; and lastly, validating the results by means of experimental tests and computational simulations. The second part consists in programming a bus multibody model to optimize the vertical dynamic behavior via mathematical programming, in this case for a class C road, according to the classification of the ISO 8608:1995 standard. The specific results of the programming of the lateral maneuvers of the bus model were validated experimentally and then compared with simulations of the maneuvers by a virtual model developed using commercial multibody software. The results showed a good correlation, enabling subsequent optimization of the lumped parameters of the suspension of the bus multibody model using the genetic algorithm optimization technique. The objective function consists of the penalized composition of some terms, including the RMS value of the roll angle of the lateral handling maneuver and of parameters associated with comfort and safety, such as the RMS value of vertical acceleration, the maximum suspension working space, and the maximum tire deflection to ensure continuous adherence on the road surface. The optimized results of the lumped parameters of the suspension enable an alignment of the conflicting goals.

Existe necessidade de se desenvolver modelos teóricos e testes experimentais, que nos permitam ter plenas condições de melhor avaliar e concluir sobre o comportamento dinâmico dos ônibus, ao trafegar sobre diferentes pistas e realizar diversos tipos de manobras. O objetivo do trabalho é avaliar e otimizar simultaneamente o comportamento dinâmico lateral e vertical de um ônibus modelado como um sistema multicorpo. A metodologia utilizada no trabalho é dividida em duas partes. A primeira parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus que possa ser utilizado para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica lateral via programação matemática; o desenvolvimento de uma manobra do tipo mudança dupla de faixa - DLC (Double Lane Change), adaptada da combinação da norma ISO 3888-1:1999 que envolve mudança dupla de faixa para carros de passeio e a norma ISO 14791:2000 que envolve mudança simples de faixa para veículos comerciais, na ausência de normas específicas; e finalmente a validação de resultados através de testes experimentais e simulações computacionais. A segunda parte consiste na programação de um modelo multicorpo de ônibus para fins de otimização do seu comportamento de dinâmica vertical via programação matemática, neste caso sujeito a uma pista da classe C segundo classificação da norma ISO 8608:1995. Os resultados específicos da programação das manobras laterais do modelo de ónibus foram validados experimentalmente, bem como comparados através da simulação das manobras num modelo virtual implementado num software multicorpo comercial. O conjunto das soluções atingidas mostraram boa correlação, possibilitando a posterior otimização dos parâmetros concentrados da suspensão do modelo multicorpo de ônibus, através da técnica de algoritmos genéticos. A função objetivo implementada consiste da composição penalizada do valor RMS do ângulo de rolagem da manobra lateral quanto ao handling, e de parâmetros associados ao conforto e segurança, como o valor RMS da aceleração vertical, do deslocamento máximo da suspensão, e da deflexão máxima do pneu de forma a garantir aderência continua à pista. Os resultados otimizados dos parâmetros concentrados conseguem uma negociação dos objetivos conflitantes. / There is a need for theoretical models and experimental tests to be developed that allow for better assessments and conclusions about the dynamic behavior of buses driving on different lanes and performing various types of maneuvers. The purpose of this work is to evaluate and optimize both the lateral and the vertical dynamic behavior of a bus modeled as a multibody system. The methodology employed comprises two parts. The first part consists in programming a bus multibody model that can be used to optimize the lateral dynamic behavior of buses via mathematical programming; developing a type of maneuver known as Double Lane Change (DLC), adapted from a combination of the ISO 3888-1:1999 standard, which involves double lane changes for passenger cars, and the ISO 14791:2000 standard, which involves single lane changes for commercial vehicles, in the absence of specific standards; and lastly, validating the results by means of experimental tests and computational simulations. The second part consists in programming a bus multibody model to optimize the vertical dynamic behavior via mathematical programming, in this case for a class C road, according to the classification of the ISO 8608:1995 standard. The specific results of the programming of the lateral maneuvers of the bus model were validated experimentally and then compared with simulations of the maneuvers by a virtual model developed using commercial multibody software. The results showed a good correlation, enabling subsequent optimization of the lumped parameters of the suspension of the bus multibody model using the genetic algorithm optimization technique. The objective function consists of the penalized composition of some terms, including the RMS value of the roll angle of the lateral handling maneuver and of parameters associated with comfort and safety, such as the RMS value of vertical acceleration, the maximum suspension working space, and the maximum tire deflection to ensure continuous adherence on the road surface. The optimized results of the lumped parameters of the suspension enable an alignment of the conflicting goals.

O propósito desta dissertação consiste em realizar um estudo do comportamento dinâmico lateral da caixa de um veículo ferroviário. Inicialmente fez-se uma abordagem do estado da arte referente à utilização de suspensões pneumáticas, sobre o funcionamento de sistemas de nivelamento, flexibilidade de caixas em análise dinâmica e irregularidades de vias férreas. Em seguida, definiu-se um modelo físico de um veículo ferroviário e, após determinadas simplificações, chegou-se a um sistema de nove graus de liberdade composto de uma caixa e dois truques de um rodeiro cada. Uma vez deduzidas as equações diferenciais de movimento, desenvolveram-se duas soluções capazes de fornecer resultados temporais e no domínio da freqüência. Através da primeira delas, a solução analítica, obtêm-se as respostas em freqüência e temporal dos movimentos lateral, roll e yaw da caixa para excitações de rotação longitudinal dos rodeiros. O segundo tipo de solução, por integração numérica, possui como excitações de entrada os deslocamentos verticais e rotacionais dos rodeiros e, como saídas, os movimentos nos nove graus de liberdade definidos para o sistema. Outra propriedade da solução por integração numérica é sua capacidade de simular suspensões secundárias lineares e não lineares. O artigo \"Manchester Benchmarks for rail vehicle simulation\" (IWNICKI, 1999) forneceu os parâmetros que definem o veículo e os princípios de irregularidades da via. Três tipos de comparações foram conduzidas, na primeira delas os resultados da análise modal deste trabalho foram confrontados com os resultados publicados pelos participantes do Benchmark e a proximidade entre eles permite fazer sua validação. O segundo tipo de comparação foi feito entre os resultados temporais das soluções analítica e por integração numérica e, o terceiro, entre simulações por integração numérica utilizando suspensões secundárias lineares e não lineares. Neste último caso, os resultados mostram que a linearização das suspensões secundárias podem ser feitas sem que haja diferenças significativas uma vez que os deslocamentos e ângulos são pequenos. Finalmente, elaborou-se uma análise para verificar a influência da variação da rigidez vertical das suspensões secundárias nas amplitudes, acelerações e no valor médio quadrático da aceleração (rms) dos movimentos laterais da caixa no domínio da freqüência. Os resultados obtidos permitem dizer que para a faixa de freqüência de maior sensibilidade do ser humano às vibrações laterais, entre 0,5 Hz e 2 Hz segundo a norma ISO 2631, há uma redução das vibrações dos movimentos lateral e roll da caixa, quando tais rijezas são reduzidas. Porém, as conseqüências da variação deste parâmetro nos demais modos de vibrar e na estabilidade do veículo constituem um estudo que pode ser realizado em um trabalho futuro. / This master\'s thesis aims at studying the lateral dynamic behavior of a railway vehicle\'s bodyshell. First is examined the state of the art related to the use of pneumatic suspensions, to leveling systems\' operation, to carbody flexibility\'s dynamic analysis and to railway\'s irregularities. The definition of the physical modeling of rail vehicle is carried out, followed by a number of simplifications, from which is defined a system with nine degrees of freedom, made up of a carbody and two bogies with one wheelset each. Once the motion\'s differential equations are defined, two solutions are carried out, capable of producing results in both time and frequency domains. The first one enables to display time and frequency responses of the carbody lateral displacement, roll and yaw for longitudinal rotation excitations of the wheelsets. The second type of solution that is obtained through numerical integration, deals with rolling and vertical displacement of the wheelsets as input data, and outputs the movements of the nine degrees of freedom defined for the system. The numerical integration solution also has the advantage of being capable of simulating linear as well as non linear secondary suspensions. The article \"Manchester Benchmarks for rail simulation\" (IWNICKI, 1999) provides the parameters that define the vehicle and the irregularities\' principles of the railway. Three types of comparisons were carried out. In the first, the results of this work\'s modal analysis were confronted to the results published by the participants of the benchmark, and the proximity of them was worth validation. The second type of comparison was made between the time domain results of both analytic and numerical integration solutions, and the third between numerical integration simulations using linear and non linear secondary suspensions. This last comparison show that the linearization of secondary suspensions can be done without afecting the results for small displacements and angles. Finally, an analysis is made up so as to verify how the vertical stiffness of secondary suspension affects the lateral displacement, acceleration and the rootmean-square (rms) accelerations of the carbody in frequency domain. The result of this work allows concluding that in the frequency range of maximal sensibility to the human being to lateral vibrations, that is between 0.5 Hz and 2 Hz according to ISO263-1, a decrease of the lateral and roll vibrations of the carbody occurs when this stifness is reduced. However this parameter\'s variations consequences on other vibration modes and on the vehicle stability could be analyzed in greater depth in a future study.

This thesis deals with aerodynamic forces and their influence on body position and ride comfort due changes in wheel loads. Simulation was made in computer program ADAMS (MSC Software TM).

Esta Tese propõe uma nova ferramenta para Otimização Robusta Multiobjetivo por Análise de Intervalo Não Probabilística (Non-probabilistic Interval Analysis for Multiobjective Robust Design Optimization ou NPIA-MORDO). A ferramenta desenvolvida visa à otimização dos parâmetros concentrados de suspensão em um modelo veicular completo, submetido a uma manobra direcional percorrendo diferentes perfis de pista, a fim de garantir maior conforto e segurança ao motorista. O modelo multicorpo possui 15 graus de liberdade (15-GDL), dentre os quais onze pertencem ao veículo e assento, e quatro, ao modelo biodinâmico do motorista. A função multiobjetivo é composta por objetivos conflitantes e as suas tolerâncias, como a raiz do valor quadrático médio (root mean square ou RMS) da aceleração lateral e da aceleração vertical do assento do motorista, desenvolvidas durante a manobra de dupla troca de faixa (Double Lane Change ou DLC). O curso da suspensão e a aderência dos pneus à pista são tratados como restrições do problema de otimização. As incertezas são quantificadas no comportamento do sistema pela análise de intervalo não probabilística, por intermédio do Método dos Níveis de Corte-α (α-Cut Levels) para o nível α zero (de maior dispersão), e realizada concomitantemente ao processo de otimização multiobjetivo. Essas incertezas são aplicáveis tanto nos parâmetros do problema quanto nas variáveis de projeto. Para fins de validação do modelo, desenvolvido em ambiente MATLAB®, a trajetória do centro de gravidade da carroceria durante a manobra é comparada com o software CARSIM®, assim como as forças laterais e verticais dos pneus. Os resultados obtidos são exibidos em diversos gráficos a partir da fronteira de Pareto entre os múltiplos objetivos do modelo avaliado Os indivíduos da fronteira de Pareto satisfazem as condições do problema, e a função multiobjetivo obtida pela agregação dos múltiplos objetivos resulta em uma diferença de 1,66% entre os indivíduos com o menor e o maior valor agregado obtido. A partir das variáveis de projeto do melhor indivíduo da fronteira, gráficos são gerados para cada grau de liberdade do modelo, ilustrando o histórico dos deslocamentos, velocidades e acelerações. Para esse caso, a aceleração RMS vertical no assento do motorista é de 1,041 m/s² e a sua tolerância é de 0,631 m/s². Já a aceleração RMS lateral no assento do motorista é de 1,908 m/s² e a sua tolerância é de 0,168 m/s². Os resultados obtidos pelo NPIA-MORDO confirmam que é possível agregar as incertezas dos parâmetros e das variáveis de projeto à medida que se realiza a otimização externa, evitando a necessidade de análises posteriores de propagação de incertezas. A análise de intervalo não probabilística empregada pela ferramenta é uma alternativa viável de medida de dispersão se comparada com o desvio padrão, por não utilizar uma função de distribuição de probabilidades prévia e por aproximar-se da realidade na indústria automotiva, onde as tolerâncias são preferencialmente utilizadas. / This thesis proposes the development of a new tool for Non-probabilistic Interval Analysis for Multi-objective Robust Design Optimization (NPIA-MORDO). The developed tool aims at optimizing the lumped parameters of suspension in a full vehicle model, subjected to a double-lane change (DLC) maneuver throughout different random road profiles, to ensure comfort and safety to the driver. The multi-body model has 15 degrees of freedom (15-DOF) where 11-DOF represents the vehicle and its seat and 4-DOF represents the driver's biodynamic model. A multi-objective function is composed by conflicted objectives and their tolerances, like the root mean square (RMS) lateral and vertical acceleration in the driver’s seat, both generated during the double-lane change maneuver. The suspension working space and the road holding capacity are used as constraints for the optimization problem. On the other hand, the uncertainties in the system are quantified using a non-probabilistic interval analysis with the α-Cut Levels Method for zero α-level (the most uncertainty one), performed concurrently in the multi-objective optimization process. These uncertainties are both applied to the system parameters and design variables to ensure the robustness in results. For purposes of validation in the model, developed in MATLAB®, the path of the car’s body center of gravity during the maneuver is compared with the commercial software CARSIM®, as well as the lateral and vertical forces from the tires. The results are showed in many graphics obtained from the Pareto front between the multiple conflicting objectives of the evaluated model. The obtained solutions from the Pareto Front satisfy the conditions of the evaluated problem, and the aggregated multi-objective function results in a difference of 1.66% for the worst to the best solution. From the design variables of the best solution choose from the Pareto front, graphics are created for each degree of freedom, showing the time histories for displacements, velocities and accelerations. In this particular case, the RMS vertical acceleration in the driver’s seat is 1.041 m/s² and its tolerance is 0.631 m/s², but the RMS lateral acceleration in the driver’s seat is 1.908 m/s² and its tolerance is 0.168 m/s². The overall results obtained from NPIA-MORDO assure that is possible take into account the uncertainties from the system parameters and design variables as the external optimization loop is performed, reducing the efforts in subsequent evaluations. The non-probabilistic interval analysis performed by the proposed tool is a feasible choice to evaluate the uncertainty if compared to the standard deviation, because there is no need of previous well-known based probability distribution and because it reaches the practical needs from the automotive industry, where the tolerances are preferable.

Esta Tese propõe uma nova ferramenta para Otimização Robusta Multiobjetivo por Análise de Intervalo Não Probabilística (Non-probabilistic Interval Analysis for Multiobjective Robust Design Optimization ou NPIA-MORDO). A ferramenta desenvolvida visa à otimização dos parâmetros concentrados de suspensão em um modelo veicular completo, submetido a uma manobra direcional percorrendo diferentes perfis de pista, a fim de garantir maior conforto e segurança ao motorista. O modelo multicorpo possui 15 graus de liberdade (15-GDL), dentre os quais onze pertencem ao veículo e assento, e quatro, ao modelo biodinâmico do motorista. A função multiobjetivo é composta por objetivos conflitantes e as suas tolerâncias, como a raiz do valor quadrático médio (root mean square ou RMS) da aceleração lateral e da aceleração vertical do assento do motorista, desenvolvidas durante a manobra de dupla troca de faixa (Double Lane Change ou DLC). O curso da suspensão e a aderência dos pneus à pista são tratados como restrições do problema de otimização. As incertezas são quantificadas no comportamento do sistema pela análise de intervalo não probabilística, por intermédio do Método dos Níveis de Corte-α (α-Cut Levels) para o nível α zero (de maior dispersão), e realizada concomitantemente ao processo de otimização multiobjetivo. Essas incertezas são aplicáveis tanto nos parâmetros do problema quanto nas variáveis de projeto. Para fins de validação do modelo, desenvolvido em ambiente MATLAB®, a trajetória do centro de gravidade da carroceria durante a manobra é comparada com o software CARSIM®, assim como as forças laterais e verticais dos pneus. Os resultados obtidos são exibidos em diversos gráficos a partir da fronteira de Pareto entre os múltiplos objetivos do modelo avaliado Os indivíduos da fronteira de Pareto satisfazem as condições do problema, e a função multiobjetivo obtida pela agregação dos múltiplos objetivos resulta em uma diferença de 1,66% entre os indivíduos com o menor e o maior valor agregado obtido. A partir das variáveis de projeto do melhor indivíduo da fronteira, gráficos são gerados para cada grau de liberdade do modelo, ilustrando o histórico dos deslocamentos, velocidades e acelerações. Para esse caso, a aceleração RMS vertical no assento do motorista é de 1,041 m/s² e a sua tolerância é de 0,631 m/s². Já a aceleração RMS lateral no assento do motorista é de 1,908 m/s² e a sua tolerância é de 0,168 m/s². Os resultados obtidos pelo NPIA-MORDO confirmam que é possível agregar as incertezas dos parâmetros e das variáveis de projeto à medida que se realiza a otimização externa, evitando a necessidade de análises posteriores de propagação de incertezas. A análise de intervalo não probabilística empregada pela ferramenta é uma alternativa viável de medida de dispersão se comparada com o desvio padrão, por não utilizar uma função de distribuição de probabilidades prévia e por aproximar-se da realidade na indústria automotiva, onde as tolerâncias são preferencialmente utilizadas. / This thesis proposes the development of a new tool for Non-probabilistic Interval Analysis for Multi-objective Robust Design Optimization (NPIA-MORDO). The developed tool aims at optimizing the lumped parameters of suspension in a full vehicle model, subjected to a double-lane change (DLC) maneuver throughout different random road profiles, to ensure comfort and safety to the driver. The multi-body model has 15 degrees of freedom (15-DOF) where 11-DOF represents the vehicle and its seat and 4-DOF represents the driver's biodynamic model. A multi-objective function is composed by conflicted objectives and their tolerances, like the root mean square (RMS) lateral and vertical acceleration in the driver’s seat, both generated during the double-lane change maneuver. The suspension working space and the road holding capacity are used as constraints for the optimization problem. On the other hand, the uncertainties in the system are quantified using a non-probabilistic interval analysis with the α-Cut Levels Method for zero α-level (the most uncertainty one), performed concurrently in the multi-objective optimization process. These uncertainties are both applied to the system parameters and design variables to ensure the robustness in results. For purposes of validation in the model, developed in MATLAB®, the path of the car’s body center of gravity during the maneuver is compared with the commercial software CARSIM®, as well as the lateral and vertical forces from the tires. The results are showed in many graphics obtained from the Pareto front between the multiple conflicting objectives of the evaluated model. The obtained solutions from the Pareto Front satisfy the conditions of the evaluated problem, and the aggregated multi-objective function results in a difference of 1.66% for the worst to the best solution. From the design variables of the best solution choose from the Pareto front, graphics are created for each degree of freedom, showing the time histories for displacements, velocities and accelerations. In this particular case, the RMS vertical acceleration in the driver’s seat is 1.041 m/s² and its tolerance is 0.631 m/s², but the RMS lateral acceleration in the driver’s seat is 1.908 m/s² and its tolerance is 0.168 m/s². The overall results obtained from NPIA-MORDO assure that is possible take into account the uncertainties from the system parameters and design variables as the external optimization loop is performed, reducing the efforts in subsequent evaluations. The non-probabilistic interval analysis performed by the proposed tool is a feasible choice to evaluate the uncertainty if compared to the standard deviation, because there is no need of previous well-known based probability distribution and because it reaches the practical needs from the automotive industry, where the tolerances are preferable.

Esta Tese propõe uma nova ferramenta para Otimização Robusta Multiobjetivo por Análise de Intervalo Não Probabilística (Non-probabilistic Interval Analysis for Multiobjective Robust Design Optimization ou NPIA-MORDO). A ferramenta desenvolvida visa à otimização dos parâmetros concentrados de suspensão em um modelo veicular completo, submetido a uma manobra direcional percorrendo diferentes perfis de pista, a fim de garantir maior conforto e segurança ao motorista. O modelo multicorpo possui 15 graus de liberdade (15-GDL), dentre os quais onze pertencem ao veículo e assento, e quatro, ao modelo biodinâmico do motorista. A função multiobjetivo é composta por objetivos conflitantes e as suas tolerâncias, como a raiz do valor quadrático médio (root mean square ou RMS) da aceleração lateral e da aceleração vertical do assento do motorista, desenvolvidas durante a manobra de dupla troca de faixa (Double Lane Change ou DLC). O curso da suspensão e a aderência dos pneus à pista são tratados como restrições do problema de otimização. As incertezas são quantificadas no comportamento do sistema pela análise de intervalo não probabilística, por intermédio do Método dos Níveis de Corte-α (α-Cut Levels) para o nível α zero (de maior dispersão), e realizada concomitantemente ao processo de otimização multiobjetivo. Essas incertezas são aplicáveis tanto nos parâmetros do problema quanto nas variáveis de projeto. Para fins de validação do modelo, desenvolvido em ambiente MATLAB®, a trajetória do centro de gravidade da carroceria durante a manobra é comparada com o software CARSIM®, assim como as forças laterais e verticais dos pneus. Os resultados obtidos são exibidos em diversos gráficos a partir da fronteira de Pareto entre os múltiplos objetivos do modelo avaliado Os indivíduos da fronteira de Pareto satisfazem as condições do problema, e a função multiobjetivo obtida pela agregação dos múltiplos objetivos resulta em uma diferença de 1,66% entre os indivíduos com o menor e o maior valor agregado obtido. A partir das variáveis de projeto do melhor indivíduo da fronteira, gráficos são gerados para cada grau de liberdade do modelo, ilustrando o histórico dos deslocamentos, velocidades e acelerações. Para esse caso, a aceleração RMS vertical no assento do motorista é de 1,041 m/s² e a sua tolerância é de 0,631 m/s². Já a aceleração RMS lateral no assento do motorista é de 1,908 m/s² e a sua tolerância é de 0,168 m/s². Os resultados obtidos pelo NPIA-MORDO confirmam que é possível agregar as incertezas dos parâmetros e das variáveis de projeto à medida que se realiza a otimização externa, evitando a necessidade de análises posteriores de propagação de incertezas. A análise de intervalo não probabilística empregada pela ferramenta é uma alternativa viável de medida de dispersão se comparada com o desvio padrão, por não utilizar uma função de distribuição de probabilidades prévia e por aproximar-se da realidade na indústria automotiva, onde as tolerâncias são preferencialmente utilizadas. / This thesis proposes the development of a new tool for Non-probabilistic Interval Analysis for Multi-objective Robust Design Optimization (NPIA-MORDO). The developed tool aims at optimizing the lumped parameters of suspension in a full vehicle model, subjected to a double-lane change (DLC) maneuver throughout different random road profiles, to ensure comfort and safety to the driver. The multi-body model has 15 degrees of freedom (15-DOF) where 11-DOF represents the vehicle and its seat and 4-DOF represents the driver's biodynamic model. A multi-objective function is composed by conflicted objectives and their tolerances, like the root mean square (RMS) lateral and vertical acceleration in the driver’s seat, both generated during the double-lane change maneuver. The suspension working space and the road holding capacity are used as constraints for the optimization problem. On the other hand, the uncertainties in the system are quantified using a non-probabilistic interval analysis with the α-Cut Levels Method for zero α-level (the most uncertainty one), performed concurrently in the multi-objective optimization process. These uncertainties are both applied to the system parameters and design variables to ensure the robustness in results. For purposes of validation in the model, developed in MATLAB®, the path of the car’s body center of gravity during the maneuver is compared with the commercial software CARSIM®, as well as the lateral and vertical forces from the tires. The results are showed in many graphics obtained from the Pareto front between the multiple conflicting objectives of the evaluated model. The obtained solutions from the Pareto Front satisfy the conditions of the evaluated problem, and the aggregated multi-objective function results in a difference of 1.66% for the worst to the best solution. From the design variables of the best solution choose from the Pareto front, graphics are created for each degree of freedom, showing the time histories for displacements, velocities and accelerations. In this particular case, the RMS vertical acceleration in the driver’s seat is 1.041 m/s² and its tolerance is 0.631 m/s², but the RMS lateral acceleration in the driver’s seat is 1.908 m/s² and its tolerance is 0.168 m/s². The overall results obtained from NPIA-MORDO assure that is possible take into account the uncertainties from the system parameters and design variables as the external optimization loop is performed, reducing the efforts in subsequent evaluations. The non-probabilistic interval analysis performed by the proposed tool is a feasible choice to evaluate the uncertainty if compared to the standard deviation, because there is no need of previous well-known based probability distribution and because it reaches the practical needs from the automotive industry, where the tolerances are preferable.