Chatter é uma vibração auto-excitada que ocorre durante usinagens e limita a produtividade do processo. Esta instabilidade causa qualidade superficial inaceitável, diminuição da vida da ferramenta e ruído. Estratégias para definição de modelos e controle desta vibração são importantes, devendo ser avaliadas e implementadas. Neste trabalho foram realizados experimentos e características como frequências naturais, respostas em frequência e respostas temporais foram obtidas. Analisando tais resultados é possível a visualização do acoplamento existente nas duas direções de vibração. Uma estratégia de redução de chatter foi implementada, através do uso de shunts passivos conectados ao sistema mecânico por meio de material piezoelétrico, e sua viabilidade foi verificada. A estratégia foi adaptada para ser utilizada nas duas direções de vibração e o resultado da redução da vibração se provou mais eficiente após esta adaptação. Diagramas de fase, respostas temporais e espectros foram obtidos durante a usinagem e um comportamento não-linear se mostrou presente. Após a validação do uso de material piezoelétrico para o controle de chatter, existe a necessidade de modelos numéricos para a descrição do fenômeno, para que controles ativos e mais efetivos possam ser desenvolvidos. Devido ao acoplamento entre as duas direções de vibração e ao comportamento não linear do fenômeno, modelos que contenham tais características foram estudados, modificados e adaptados. Os resultados numéricos obtidos pelos modelos estudados foram então comparados aos resultados experimentais e conclusões sobre similaridades foram apresentadas. Considerando os resultados obtidos, acredita-se que o modelo que melhor representa o sistema real pode ser utilizado para o desenvolvimento de controles ativos, que garantam uma redução mais efetiva do chatter. / Chatter is a self-excited vibration that leads to instability during ongoing machining, which affects productivity. Chatter instability causes poor surface quality, diminishes the tool\'s life and may cause clatter. Therefore, strategies to control chatter and chatter models are highly necessary, and must be evaluated and implemented. In an experimental campaign done during this work, characteristics such as natural frequencies, frequency responses and temporal responses were obtained. Trough these analysis, it was observed that the system presents a coupling in its two normal directions of vibration. One strategy for chatter reduction was then implemented, in which a passive shunt using piezoelectric material was used. The feasibility of this chatter reduction strategy for one direction could be verified. In addition, the strategy was adapted in order to be utilized in both main vibration directions and the results confirmed that this approach grants better results for the reduction of chatter. Phase-planes, temporal responses and spectras could also be derived from the turning experiments and a nonlinear behavior could be seen present. Being verified the possibility of using a piezoelectric material in chatter control, numerical models that describe the phenomena should be pursued, so that more effective active control could be developed. Because the experiments show the mode coupling between two directions and a nonlinear behavior, models that represent such characteristics were studied, modified and adapted. The numerical results from this models were then compared to the experiments and conclusions were drawn. Considering the obtained results, it is believed that the most similar model should be used in the development of active control that could guarantee a better chatter reduction.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-02T15:20:50Z No. of bitstreams: 1 catarinavieiranagahama.pdf: 3773576 bytes, checksum: ae1c4d72f2626e67a0fa112d4f0ee815 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:53:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 catarinavieiranagahama.pdf: 3773576 bytes, checksum: ae1c4d72f2626e67a0fa112d4f0ee815 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:53:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 catarinavieiranagahama.pdf: 3773576 bytes, checksum: ae1c4d72f2626e67a0fa112d4f0ee815 (MD5) Previous issue date: 2013-09-10 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Sistemas de controle de vibrações estruturais são formas de proteção que visam reduzir vibrações excessivas e/ou indesejáveis induzidas por cargas dinâmicas atuantes em estruturas civis, de forma a atender os critérios de segurança, funcionalidade e conforto aos usuários. Estes sistemas podem ser classificados em passivo, ativo, híbrido e semiativo. Dentre os sistemas de controle de vibrações, os semiativos têm se mostrado bastante atrativos por aliar a confiança e a simplicidade típicas de sistemas passivos `a adaptabilidade dos sistemas ativos, destacando-se, dentre eles, os amortecedores magnetorreológicos (MR). Os amortecedores MR são dispositivos semiativos que possuem a capacidade de mudar, de maneira reversível e quando exposto a um campo magnético, de um estado líquido para um estado semi-sólido em milissegundos. Essa característica faz dos amortecedores MR uma ferramenta ideal para o controle de sistemas estruturais, pois com eles é possível administrar forças de amortecimento de forma rápida e segura, utilizando pequenas quantidades de energia. Neste trabalho, a eficiência do controle semiativo utilizando amortecedores MR aplicados a um modelo de um edifício de dois andares submetido a uma aceleração na base é estudada. Os resultados obtidos são validados através da comparação com resultados já publicados por outros autores. A metodologia adotada consiste basicamente em avaliar o comportamento dos amortecedores MR em três situações distintas: 1) funcionando como um amortecedor passivo, ou seja, aplicando-se uma voltagem constante e, portanto, sem variações de suas propriedades amortecedoras; 2) funcionando como um controlador semiativo em que a voltagem de comando dos amortecedores MR é determinada pelo algoritmo clipped optimal baseado em um regulador linear quadrático (LQR), podendo assumir o valor 0V ou voltagem máxima; e 3) funcionando como controlador semiativo com voltagem de comando otimizada, podendo assumir valores intermediários de voltagem entre 0V e voltagem máxima. Esta última estratégia é original e consiste na principal contribuição do presente trabalho. Para efeitos comparativos, o modelo estudado também foi submetido ao controle puramente ativo, supondo-se um atuador mecânico exercendo forças de controle diretamente na estrutura. Esta última estratégia permite confrontar os desempenhos do amortecedor MR com um controlador ativo. / Structural vibration control systems are means of protection which aim the reduction of excessive or undesirable vibrations caused by dynamic loads on civil structures in other to assure safety and comfort criteria. Those systems are classified into passive, active, hybrid and semi-active. Semi-active controls systems are among the most used due to reliability and simplicity reasons. The magnetorheological dampers (MR) are semi-active devices capable of changing from liquid to semisolid state in milliseconds, in a reversible manner, when exposed to a magnetic field. Due to this capability, MR dampers are considered as a perfect tool for controlling structural systems - allowing the management of damping load fast and safely, with small amount of energy. This work studies the efficiency of semi-active control systems, by means of MR dampers applied to a two-story building model subject to accelerations applied to its basis. The obtained results are compared to data available in the literature, showing good agreement. The adopted methodology consists in evaluating the MR dampers behavior in three distinct situations: 1) applied as a passive damper: under constant voltage, with no variation of dampers properties; 2) applied as a semiactive controller for which the activation voltage is determined by the clipped optimal algorithm based on a linear quadratic regulator - with voltages of 0V or a maximum value; 3) applied as a semiactive controller with optimized activation voltage, assuming voltage values ranging from 0V to a maximum value. This strategy is original and consists in the main contribution of the present work. For comparison purposes, the studied model was also subjected to purely active control, by assuming a mechanical actuator exerting control forces directly on the structure. This strategy allows confronting the performance of the MR damper with an active controller.

Submitted by Geandra Rodrigues (geandrar@gmail.com) on 2018-10-16T10:52:39Z No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2018-10-16T14:32:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-16T14:32:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tamaradecarvalhofreitas.pdf: 4928276 bytes, checksum: 9de5596b41afe271cb80f81cfe1197a6 (MD5) Previous issue date: 2018-09-05 / Sistemas passivos de controle para a atenuação de vibrações em estruturas apresentam grande diversidade de concepções, pois resultam de projetos criativos voltados para cada problema específico. Em geral, são mecanicamente robustos e se mostram como alternativas mais eficientes, sob o ponto de vista dinâmico estrutural, do que as técnicas usuais e conservadoras de enrijecimento da estrutura. Dentre estes sistemas, podem-se destacar aqueles que utilizam materiais viscoelásticos (MVE) como núcleo amortecedor, como por exemplo os sistemas tipo sanduíche. Estes materiais têm propriedades mecânicas dependentes da temperatura e, principalmente, da frequência de vibração, trazendo dificuldades adicionais às já complexas formulações teóricas do problema. Neste trabalho, as formulações usadas para modelar sistemas sanduíches viscoelásticos GHM (Golla-Hughes-MacTavish); ADF (Anelastic Displacement Field); e DF (Derivadas de Ordem Fracionária) são tomadas como base para as simulações computacionais analisadas. Partindo de experimentos de caracterização de materiais desenvolvidos, as formulações supracitadas foram adotadas para estimar o comportamento dinâmico de estruturas sanduíche. Por fim, estratégias voltadas para o projeto de estruturas sanduíches com MVE são propostas, baseadas no desempenho de cada uma das formulações avaliadas no que se refere às suas respectivas capacidades de simular os experimentos realizados. / Passive control systems for vibration control in structures demonstrate a wide variety of conceptions, as they are results of creative projects focused on specific problems. Usually, they are robust mechanisms and are shown as more efficient alternatives than ordinary and conservative techniques of structural stiffening. Among these systems, it is possible to highlight the ones that use viscoelastic materials (VEM) as damping core, such as sandwich systems. These materials have mechanical properties depending on temperature and, mainly, on the vibration frequency, introducing additional difficulties to the already complex theoretical formulations of the problem. In this work, formulations used to model viscoelastic sandwich systems, such as GHM (Golla-Hughes-MacTavish); ADF (Anelastic Displacement Field); and DF (Fractional Order Derivatives) are taken as basis for the computational simulations considered. Based on the experimental characterization of the VEM’s, the formulations previously mentioned were used to estimate the dynamic behavior of sandwich structures. Finally, strategies aimed at design of sandwich VEM structures are indicated, based on the performance of each of the evaluated formulations, regarding to their ability to simulate the experiments performed.

Orientador: Milton Dias Júnior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T08:49:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_TeoLenquistda_D.pdf: 5484630 bytes, checksum: 40d5122ff01ee4077957ffbc79369379 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Ruído em um veículo é geralmente causado pela vibração de vários componentes. Por exemplo, vibrações causadas pelo motor podem causar vibração de um painel levando a ruído no interior da cabine. O controle de tal ruído e vibração pode ser conseguido através da aplicação de uma manta visco-elástica ou de outro material de amortecimento adequado sobre o componente do automóvel; no entanto, materiais de amortecimento convencional geralmente têm uma alta densidade, que pode conduzir a um aumento significativo na massa total do sistema de isolamento acústico. Uma alternativa para redução de peso emprega pastilhas piezocerâmicas ligadas em série a um circuito Resistor - Indutor ( RL ), funcionando como um amortecedor de vibração sintonizado; daí o termo ressoador piezoelétrico é utilizado. No presente trabalho, a capacidade de amortecimento de ressonadores piezoelétricos é comparada a tratamentos convencionais de amortecimento em uma sequência de três experimentos. Investigações iniciais são realizadas em uma chapa de aço instalada entre câmaras reverberante e anecóica para permitir medições de transmissão do som através da placa. Uma abordagem integrada utilizando análise modal e técnicas de visualização de campo acústico é utilizada para identificar os modos mais relevantes para a propagação do ruído. Na sequência, simulação por elementos finitos e análise teórica são utilizados para auxiliar na escolha dos valores dos componentes elétricos e no posicionamento dos resonadores piezoelétricos para atuação maximizada. Medições de Perda de Transmissão Sonora e Funções de Resposta em Frequência são realizadas para demonstrar o controle de vibração estrutural e o isolamento acústico resultante. Na sequência, os elementos de projeto deste experimento são replicados no painel de instrumentos de um veículo. Com o painel de instrumentos instalado entre salas reverberante e anecóica, a contribuição dos ressonadores piezoelétricos sobre a perda de transmissão sonora é demonstrada em uma estrutura complexa. Finalmente, ressonadores piezoeléctricos são utilizados para atenuar a vibração induzida pelo funcionamento de motor no painel traseiro de um veículo. Nesta aplicação prática, o efeito do controle de vibração e da atenuação de ruído interno são avaliados em condições operacionais. O trabalho é concluído com uma discussão sobre os resultados alcançados e os benefícios de redução de massa proporcionados pela técnica de amortecimento proposta / Abstract: Noise in a vehicle is generally caused by the vibration of various automotive components, such as the dash board, door panels, roof, or the like. For example, vibrations caused by the engine may cause a dash panel to vibrate leading to noise inside the cabin. The control of such noise and vibration may be achieved by placing a viscoelastic or other suitable damping material on the automotive component; however, conventional damping materials usually have a high density, which can lead to significant increases in the overall mass of the sound insulation system. A lightweight alternative employs piezoceramic patches connected in series to a Resistor-Inductor (R-L) circuit, performing as a tuned vibration absorber; hence the term piezoelectric resonator is used. In the present work, the damping capacity of piezoelectric resonators is compared to conventional damping treatments in a sequence of three experiments. Initial investigations are carried out in a steel plate installed between reverberant and anechoic rooms, to enable measurements of sound transmission through the plate. An integrated approach using component modal analyses and assessments of sound pressured distribution is employed to identify the most relevant modes to the noise propagation. In sequence, FE simulation and theoretical analysis are used to support the choice of the electrical components values and the placement of piezoelectric patches for maximized actuation. Measurements of Sound Transmission Loss (STL) and Frequency Response Function (FRF) are conducted to demonstrate the structural vibration control and its resulting sound insulation. Furthermore, design elements of this experiment are replicated into a vehicle dash panel. With the dash panel installed between reverberant and anechoic rooms, the contribution of piezoelectric resonators on the sound transmission loss is proven to be effective in a complex structure. Finally, piezoelectric resonators are employed to attenuate the vibration induced by powertrain excitation in the back panel of a vehicle. In this practical application, the effect of structural vibration control and interior noise attenuation are evaluated in operational conditions. The work is concluded with a discussion on the achieved results and mass saving benefits of the proposed lightweight damping technique / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T23:18:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Medeiros_MarianeMendes_M.pdf: 1617094 bytes, checksum: d2be1eafefa6985fbd91c7c052f71868 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O presente trabalho propõe o estudo de estruturas flexíveis e controle de vibrações sob a ótica da otimização simultânea de ambos. Iniciando pela modelagem da estrutura, é apresentada a justificativa para o uso de Elementos Finitos e modelagem no Espaço de Estados, passando ainda pela realização balanceada e redução de ordem do sistema. Na sequência, é descrita a síntese do controlador ??, que parte do princípio da minimização da Norma ?? do sistema. A solução do problema é então apresentada sob a abordagem das Desigualdades Matriciais Lineares, enfoque mais atual devido às suas propriedades de linearidade e convexidade quando aplicada dentro da teoria de controle. Em se tratando do processo de otimização, é desenvolvido um estudo sobre o método simultâneo, onde parâmetros da estrutura são otimizados juntamente com os do controlador de maneira a diminuir os efeitos negativos entre as dinâmicas quando otimizadas separadamente. Ainda assim, são apresentadas duas outras abordagens como forma de comparação: a Ativa Serial e a Passiva Estrutural. Para todos os três casos, a técnica escolhida para a resolução do problema de otimização foi o Algoritmo Genético, cujas vantagens e desvantagens são mostradas junto com toda a descrição de conceitos envolvidos, considerando seus operadores, fluxo algorítmico e até mesmo critérios de parada. Por fim, serão apresentados os resultados analisados sobre um modelo de uma viga engastada, submetida à distúrbios externos, através de uma simulação em MATLAB que engloba todos os conceitos estudados / Abstract: The present work proposes the study of flexible structures and vibration control under the light of simultaneous optimization. Starting by structure modeling, it presents the reason for use Finite Element and State-Space modeling, passing also through the balanced realization and order reduction of the system. Sequentially, it describes the synthesis of ?? controller, which considers the minimization of ?? norm of the system. The solution of the problem is then presented under Linear Matrix Inequalities approach, the most up-to-date method due to linearity and convexity properties when applied to control theory. Regarding optimization process, it is developed a study of a simultaneous optimization method where structure parameters are optimized along with the controller ones, aiming to diminish negative influence between dynamics when separately optimized. Even tough, two other approaches are presented by means of comparison: Serial Active and Structural Passive. For all three cases, the chosen technique to solve the optimization problem was the Genetic Algorithm whose advantages and disadvantages are shown along with a description of all involved concepts, considering its operators, algorithmic flux and even stopping criteria. Last, the results analysed over a clamped beam model subjected to external disturbances are shown, through a MATLAB simulation that encloses all studied concepts / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

A otimização de amortecedores é uma área nova que vem sendo explorada nos últimos anos. Existem vários métodos clássicos e outros mais recentes que estão disputando em confiabilidade, eficiência e rapidez na obtenção de um resultado ótimo. Os algoritmos de otimização são classificados em determinísticos, que utilizam a informação do gradiente, ou seja, usam os valores das funções e suas derivadas, e os meta-heurísticos são algoritmos aleatórios que são métodos probabilísticos não baseados em gradiente, utilizando somente a avaliação da função objetivo. O Firefly Algorithm é um algoritmo meta-heurístico relativamente recente inspirado no comportamento da luz dos vagalumes. Este trabalho propõe um método para a otimização de amortecedores por atrito utilizando algoritmo meta-heurístico. O método proposto é testado em dois edifícios, de nove e dezesseis andares, submetidos a duas excitações sísmicas cada. A otimização tem um objetivo principal: diminuir a resposta dinâmica em termos do deslocamento máximo no topo das estruturas obtido através de um algoritmo programado baseado no método das diferenças finitas centrais, otimizando o local de um número máximo de amortecedores e as forças de atrito dos mesmos. Para o caso da estrutura de nove andares o número máximo de amortecedores é de quatro e para o caso da estrutura de dezesseis andares o número máximo é seis. Os resultados demostraram que, para os dois casos estudados, o deslocamento no topo da estrutura diminui em mais de 50%, concluindo-se que o método programado é eficaz assim como o Firefly Algorithm é adequado para obter as posições e as forças de atrito ótimas. Portanto, acredita-se que o método proposto poderá ser utilizado como uma ferramenta útil para auxiliar no projeto de amortecedores por atrito. / The damper’s optimization is a new area that has been explored in recent years. There are several classics and newer methods that are competing in reliability, efficiency and speed in achieving a great result. The algorithms are classified as deterministic, using gradient information, or use the function values and their derivatives, and meta- heuristic optimization algorithms are random probabilistic methods that are not based on gradient using only the evaluation of the objective function. The Firefly Algorithm is a relatively new meta-heuristic algorithm inspired on the behavior of the light of fireflies. This work proposes a method for the friction damper’s optimization using meta-heuristic algorithm. The proposed method is tested in two structures: a nine story building and a sixteen story building. They were submitted to two seismic excitations each. The optimization has one main goal: to reduce the dynamic response in terms of the maximum displacement at the top of the structures obtained by a programmed algorithm based on the central finite difference method, optimizing the location of a maximum number of dampers and their friction’s forces. In the case of the nine story building, the maximum number of dampers is four, and in the case of the sixteen story building the maximum number is six. The results showed that for the two cases studied, the displacement at the top of the structure decreases by more than 50%, concluding that the programmed method is effective and the Firefly Algorithm is appropriate to get the positions and friction’s forces optimal. Therefore, it is believed that the proposed method can be used as a tool to aid in the design of friction dampers.

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A mechatronic system of actuators, sensors, and analog circuits is demonstrated to control the self-excited oscillations known as chatter that occur when single-point turning a rigid workpiece with a flexible tool. The nature of this manufacturing process, its complex geometry, harsh operating environment, and poorly understood physics, present considerable challenges to the control system designer. The actuators and sensors must be rugged and of exceptionally high bandwidth and the control must be robust in the presence of unmodeled dynamics. In this regard, the qualitative characterization of the chatter instability itself becomes important. Chatter vibrations are finite and recognized as limit cycles, yet modeling and control efforts have routinely focused only on the linearized problem. The question naturally arises as to whether the nonlinear stability is characterized by a jump phenomenon. If so, what does this imply for the "robustness" of linear control solutions? To answer our question, we present an advanced hardware and control system design for a boring bar application. Initially, we treat the cutting forces merely as an unknown disturbance to the structure which is essentially a cantilevered beam. We then approximate the structure as a linear single-degree-of-freedom damped oscillator in each of the two principal modal coordinates and seek a control strategy that reduces the system response to general disturbances. Modal-based control strategies originally developed for the control of large flexible space structures are employed; they use second-order compensators to enhance selectively the damping of the modes identified for control. To attack the problem of the nonlinear stability, we seek a model that captures some of the behavior observed in experiments. We design this model based on observations and intuition because theoretical expressions for the complex dynamic forces generated during cutting are lacking. We begin by assuming a regenerative chatter mechanism, as is common practice, and presume that it has a nonlinear form, which is approximated using a cubic polynomial. Experiments demonstrate that the cutting forces couple the two principal modal coordinates. To obtain the jump phenomena observed experimentally, we find it necessary to account for structural nonlinearies. Gradually, using experimental observation as a guide, we arrive at a two-degree-of-freedom chatter model for the boring process. We analyze the stability of this model using the modern methods of nonlinear dynamics. We apply the method of multiple scales to determine the local nonlinear normal form of the bifurcation from static to dynamic cutting. We then find the subsequent periodic motions by employing the method of harmonic balance. The stability of these periodic motions is analysed using Floquet theory. Working from a model that captures the essential nonlinear behavior, we develop a new post-bifurcation control strategy based on quench control. We observe that nonlinear state feedback can be used to control the amplitude of post-bifurcation limit cycles. Judicious selection of this nonlinear state feedback makes a supplementary open-loop control strategy possible. By injecting a harmonic force with a frequency incommensurate with the chatter frequency, we find that the self-excited chatter can be exchanged for a forced vibratory response, thereby reducing tool motions. / Ph. D.

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