[pt] No comportamento de sistemas mecânicos a relação entre força aplicada e deslocamento resultante não obedece sempre a uma lei linear, de proporcionalidade constante. É bastante comum o fenômeno da histeresse mecânica, em que o deslocamento resultante depende da força aplicada e do sentido do deslocamento, ainda que não seja atingido o limite de escoamento, em nenhum ponto do sistema. Neste trabalho propomos um modelo baseado na associação paralela de elementos bi-elásticos, que apresentam histerese apresenta contornos diferentes da histerese bi-linear. É obtida então uma solução para a resposta de amplitude do sistema, em regime estacionário, quando excitado por um deslocamento harmônico. Os resultantes foram tabelados com o auxílio de um computador digital IBM. A verificação dos resultados foi feita por meio de feixes de molas, basicamente semelhantes aos usados na suspensão de veículos, excitados em uma mesa vibradora eletrodinâmica. As medições das respostas de deslocamento do sistema concordem razoavelmente com as previsões teóricas. / [en] The mechanical behavior of systems does not always represent a linear relationship applied force and displacement. Mechanical hysteresis generally occurs in such systems, even though yielding does not occur. In this work a model is proposed, based on a parallel arrangement of spring elements with have a bilinear hysteresis behavior. The statistical with has a non-bilinear hysteresis behavior. The steady state of the amplitude response of the system, wich is submitted to a harmonic displacement excitation, obtained by the useof a digital computer. Verification of these results were made by comparision with na experimental analysis of a leaf spring system, similar to those used in vehicle suspension. The experimental model was excited by a vibration table. Mechanical measurements in this real system confirmed with sufficient precision the predictions of the theorical model.

[pt] A vibração excessiva da coluna de perfuração leva à perda da eficácia do processo de perfuração de poços de petróleo e causa danos prematuros ao equipamento. Portanto, entender a dinâmica do sistema é essencial. O comportamento complexo das colunas de perfuração estimulou um grande número de publicações sobre a dinâmica de perfuração. A vibração torsional está presente na maioria dos processos de perfuração, eventualmente atingindo o fenômeno de stick-slip. Essa vibração torsional resulta da interação não linear entre brocas e rochas. Apesar da complexidade da interação broca-rocha, a relação entre torque e velocidade de broca é, frequentemente, tratada como uma força de atrito seco em um sistema delgado. Um grande número de modelos de atrito é usado para descrever a interação entre brocas e rochas, embora um modelo adequado seja necessário para uma interpretação precisa de sistemas com atrito. Esta contribuição utiliza dados experimentais de uma bancada de testes, capaz de reproduzir o comportamento torsional de um sistema real, equipada com dispositivos de freio simples para introduzir atrito ao sistema, perturbando o movimento de rotação. A bancada é matematicamente modelada como um pêndulo de torção atuado. Esta dissertação propõe um modelo de atrito baseado em dados experimentais e analisa vários fenômenos observados em relação ao atrito, incluindo a histerese. Os resultados experimentais são usados para identificação dos parâmetros do modelo proposto. Por fim, simulações numéricas e resultados experimentais são comparados para validação do modelo de atrito proposto. / [en] Excessive drill string vibration leads to loss of the drilling process effectiveness and premature damage to the equipment. Therefore, understanding the system dynamics is essential. The complex behavior of drill strings attracted considerable attention in specialized literature. Due to the drill string slenderness, torsional vibration is present in most drilling routines, eventually reaching the stick-slip phenomenon. This torsional vibration results from the nonlinear interaction between drill-bits and rocks. Despite the complexity of the bit-rock interaction, researchers often treat the relationship between torque and bit velocity as a dry friction force in a slender system. A large number of dry friction models is used to describe the interaction between drill bits and rocks although a proper model is required for a precise interpretation of systems with friction. This contribution utilizes data from a test rig that is capable of reproducing full-scale system torsional behavior with simple brake devices to introduce friction into the system, disturbing the rotating motion. This test rig is modeled as an actuated torsional pendulum for the numerical investigations of the experimental friction. This dissertation proposes a friction model based on experimental data and analyzes various frictional phenomena observed, including hysteresis. The experimental results are used to identify the proposed model parameters. Lastly, it compares numerical simulations with the experimental results and validates the proposed friction model.

[pt] Muitas suspensões de partículas se comportam como materiais tixotrópicos e estão presente em muitos processos industriais, incluindo aplicações de revestimentos de filmes finos. Especificamente, operações de extrusão de fluidos tixotrópicos estão envolvidos na produção de eletrodos de baterias. Na maioria dos casos, o escoamento de suspensões de partículas é descrito por modelos independentes no tempo, que assumem que a viscosidade como uma função somente da taxa local de deformação local. No entanto, a viscosidade dos fluidos tixotrópicos é associada com a evolução do seu nível de microestruturação que não muda instantaneamente com a tensão (ou taxa de deformação). No caso da imposição de uma tensão constante (ou taxa de cisalhamento), a microstrutura evolui até alcançar um estado de equilíbrio, porém este processo leva tempo. Mesmo em escoamentos em regime permanente, o líquido escoa através de regiões onde tem mudanças significativas nos níveis de tensão, sendo assim o escoamento transiente de um ponto de vista Lagrangiano. Então, assumir que a viscosidade, em todo ponto do escoamento, é à viscosidade em regime permanente pode gerar uma descrição errada do escoamento. A magnitude relativa do tempo de resposta do líquido e do seu tempo de residência torna-se num parâmetro importante, especialmente em escoamentos em pequena escala com tempos de residência muito curtos. O escoamento de um líquido tixotrópico através de um microcapilar com constrição e no processo de revestimento por extrusão foram analisados aqui, usando dois modelos reológicos: um modelo independente no tempo (TIM) e um modelo tixotrópico que leva em conta a resposta transiente do líquido. O conjunto de equações não lineares foi resolvido utilizando o método de Galerkin/SUPG de elementos finitos. Os resultados mostram que o uso de um modelo simples TIM para descrever materiais tixotrópicos, como suspensões de partículas, pode levar a erros muito significativos na predição do comportamento de escoamento. Além disso, os modelos independentes no tempo não têm a capacidade de predizer certos fenômenos de escoamento, como a histerese, que pode gerar escoamentos instáveis. Essas imprecisões indicam a necessidade de usar um modelo mais completo que considere a resposta transiente do líquido. / [en] Many particle suspensions behave as thixotropic-viscous materials and they are present in different industrial processes, including coating applications. Specifically, the production of battery electrodes involves slot coating of a thixotropic liquid. In most cases, the flow of slurries and other particle suspensions is described by using a time-independent model that assumes the viscosity to be solely a function of the local deformation rate. However, the viscosity of thixotropic fluids is associated to the evolution of its microstructuring level, which does not change instantaneously with the shear stress (or deformation rate). In the case of imposing constant shear stress (or shear rate), the microstructure evolves until reaching an equilibrium state; but this process takes time. Even in a steady-state flow, the liquid flows through regions where there are significant changes in the levels of shear stress and the flow is transient in a Lagrangian point of view. Therefore, assuming that the viscosity at each point of the flow is the steady-state viscosity described by a time-independent model may lead to an inaccurate flow description. The relative magnitude of the characteristic response time of the liquid and the residence time of the flow becomes an important parameter. This is particularly relevant in small scale flows with very small residence time. Flows of a thixotropic-viscous liquid through a constricted microcapillary and in a slot coating process were analyzed here using two rheological models: a time-independent model (TIM) and a thixotropic model that takes into account the liquid time-dependent response. The resulting set of fully coupled, non-linear equations was solved by the Galerkin and SUPG Finite Element Method. The results show that the use of a TIM to describe thixotropic viscous materials, such as some particle suspensions, can lead to very large errors on the predicted flow behavior. Furthermore, time-independent models are not able to predict complex flow phenomena, like hysteresis, which could lead to unstable flows. These inaccuracies highlight the need for a more complete model that takes into account time-dependency of the flowing liquid in a certain range of flow parameters.