[pt] O impactador inercial em cascata é um instrumento no qual uma amostra de ar e poluentes (aerossóis) é obrigada a percorrer um trecho contendo obstáculos, chamados placas de impactação. Os obstáculos forçam o jato a mudar de direção, mas como as partículas têm maior inércia do que o fluido, não acompanham as linhas de corrente do escoamento e acabam por depositar-se sobre estes obstáculos. Diferenças na geometria envolvendo diminuição de área de passagem de escoamento e conseqüente aumento de velocidades, fazem com que, a cada estágio, partículas de diâmetros menores sejam coletadas. O desafio é projetar um instrumento que maximize a eficiência de coleta, diminuindo as perdas por deposição indesejável de partículas nas paredes, recirculações e outros efeitos. Nesta Dissertação de Mestrado foi realizado o projeto de um impactador de três estágios coletando, respectivamente, partículas com diâmetro aerodinâmico de 10, 2,5 e 1 (mi)m, operando com vazão de 30 lpm (litros por minuto) e pressão atmosférica. Na análise de desempenho do instrumento, foram realizadas simulações numéricas com o objetivo de analisar características do escoamento e da trajetória de partículas e levantar as curvas de eficiência de coleta. Foram realizados, também, testes experimentais reproduzindo condições de uso com o intuito de levantar as curvas de eficiência reais. Os resultados numéricos e experimentais foram comparados e apresentam-se ao final, conclusões sobre o desempenho do instrumento e recomendações para trabalhos futuros. / [en] Impactors are simple devices in which a sample flows of air and pollutants flow around an obstacle, called impaction plate. Particles with sufficient inertia will slip across the flow streamlines and impact on the obstacle. Particles with less inertia will follow the airflow away from the impaction surface. Inertial cascade impactors have more than one impaction area. Each one has an impaction plate and a nozzle plate. From one stage to the other, the nozzle diameters become smaller and, consequently, the velocities are higher. This allows for the collection of smaller particles. The challenge is to design an instrument with the higher collection efficiency as possible, reducing wall losses, recirculation regions and other effects. In this study a 3-stages inertial cascade impactor was designed and tested. The cut-point aerodynamic diameters for each stage were 10, 2.5 and 1 (mi)m, respectively, when operating with a flow rate of 30 l/min at atmospheric pressure. To evaluate the instrument, some numerical simulations were performed. They provided results for the flow field, particle trajectories and the collection efficiency curves. Experimental tests were also done to allow for the determination of the real efficiency curves. The numerical and experimental data were compared. Finally, the conclusions of the work and recommendations for future studies are presented.

[pt] Análise modal consiste na caracterização de um sistema através dos seus parâmetros modais. Quando a principal excitação é causada pelo ambiente em que o sistema está inserido, essa caracterização é definida como análise modal operacional (OMA). Nestes casos, os forçamentos não são conhecidos (mensuráveis) e apenas as respostas são monitoradas. Por terem natureza aleatória, esses sinais precisam ser incorporados ao modelo numérico através de processos estocásticos. O principal objetivo desta dissertação consiste em descrever as técnicas de identificação em OMA. Para isso, duas vertentes foram criadas, uma teórica e outra experimental. Na parte teórica, as hipóteses necessárias para a identificação de um sistema por OMA são apresentadas. Uma análise dos erros causados por sinais ruidosos também é feita, permitindo que a sensibilidade dos métodos seja avaliada. Além de contemplar os principais métodos de identificação, dois novos métodos são propostos. Ambos foram desenvolvidos a partir da Decomposição Ortogonal Própria (POD) e combinam uma eficiência computacional com a possibilidade de quantificar as incertezas dos parâmetros. Na vertente experimental, o objetivo é ilustrar e validar a identificação de estruturas. Para isso, três diferentes bancadas foram criadas: um prédio de dois andares, uma pá eólica e uma ponte suspensa. Após a construção, essas estruturas foram devidamente instrumentadas por diferentes sensores. Um sistema de aquisição dados foi montado através de hardwares comerciais e analisados através de uma interfase gráfica desenvolvida especialmente para OMA pelo Laboratório de Vibrações. / [en] Modal analysis consists in the characterization of a system through its modal parameters. When the main excitation source is the system s environment, this characterization is defined as operational modal analysis (OMA). On those cases, the forces are unknown (not measured) and only the responses are monitored. Because of there random nature, those signals are incorporated into the numerical model as stochastic processes. The main goal of this dissertation is to describe the identification techniques in OMA. Therefore, two different approaches were created: a theoretical one and an experimental one. In the theoretical part, the required hypotheses for system s identification with OMA are presented. An analysis of the errors caused by noisy signals are also performed, allowing the method s sensibility to be evaluated. Besides the standard identification methods, two new ones are proposed. They both has been developed as extension of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) and combine an efficient computational process with the possibility of quantify the parameters uncertainties. In the experimental approach, the goal is to illustrate and validate the identification of structures. Therefore, three different test bench were created: a two floor building, a wind turbine blade and a cable-stayed bridge. After their construction, those structures were proper instrumented with different sensors. A data acquisition system were built using commercial hardwares and analyzed through a graphic interface specially made for OMA and developed in the vibration laboratory.

[pt] Durante a perfuração de poços de petróleo, a coluna de perfuração apresenta um comportamento dinâmico complexo, esta tese foca no estudo experimental e na modelagem matemática deste comportamento. Neste trabalho, destaca-se as vibrações autoexcitadas axiais, laterais e torcionais, que podem levar a efeitos como o bit bouncing, o whirling e stick-slip torcional. A primeira contribuição desta tese é a análise experimental de um bancada de testes, que fornece informações sobre a dinâmica de sistemas torcionais. A influência dos parâmetros de controle não lineares na resposta do sistema é investigada, identificando as condições sob as quais o fenômeno stick-slip ocorre. Em segundo lugar, a tese propõe estratégias de identificação de sistemas para sistemas não lineares, utilizando a mesma bancada de testes supracitada. Uma abordagem híbrida para a identificação é proposta, onde técnicas de modelagem de caixa cinza e caixa preta são combinadas para calibrar os parâmetros do sistema, particularmente aqueles associados ao atrito. Essa abordagem aumenta a precisão das estimativas em comparação com os métodos tradicionais de caixa cinza, mantendo a interpretabilidade. Além disso, a pesquisa emprega physics-informed deep learning para estimar os parâmetros mecânicos e de atrito do modelo de dois graus de liberdade. A calibração usando dados experimentais obtidos de uma bancada de testes fornece informações sobre o comportamento de sistemas de perfuração. Finalmente, a tese apresenta investigações experimentais sobre o acoplamento entre oscilações torcionais e axiais utilizando uma bancada experimental de perfuração em escala de laboratório modificada e adaptada equipada com brocas e amostras de rocha reais. Em resumo, esta tese aumenta a compreensão da dinâmica de colunas de perfuração e apresenta aplicações úteis para técnicas de identificação de sistemas na análise de oscilações torcionais e axiais. / [en] During drilling for oil extraction purposes, the drill string experiences complex dynamic behavior, and this work delves into the experimental study and the mathematical modeling of such behavior. Self-excited vibrations, such as axial, lateral, and torsional vibrations, which can lead to detrimental effects such as bit bouncing, whirling, and torsional stick-slip are highlighted in this thesis. Distinct aspects of drilling dynamics are considered in this investigation to enhance the understanding of various phenomena. Initially, an experimental analysis of a lab-scale rig is conducted, providing valuable insights into the dynamics of such systems. And the influence of control parameters on the system’s response is examined, particularly in identifying the conditions under which the stick-slip phenomenon is likely to occur. Secondly, the thesis proposes system identification strategies for nonlinear systems, specifically focusing on the same laboratory test rig. An innovative ensemble approach is proposed, which combines gray and black-box modeling techniques to effectively calibrate the parameters of a dynamical system, particularly those associated with friction. This approach improves prediction accuracy compared to traditional gray-box methods while maintaining interpretability in the dynamic responses. Furthermore, the research employs physics-informed deep learning to estimate the low-dimensional model mechanical and friction parameters. Calibration using experimental data obtained from a specialized setup provides insights into the drill-string system s behavior. Finally, the thesis involves experimental investigations on the coupling between torsional and axial oscillations using a modified and adapted lab-scale drilling rig equipped with real drill bits and rock samples. In summary, this thesis advances our understanding of drill-string dynamics and presents helpful applications for system identification techniques.

[pt] Grande parte das indústrias e do comércio atacadista e varejista, depara-se com problemas referentes à estocagem de seus produtos em galpões. Visando otimizar as operações de armazenamento e recuperação destes produtos (livros, remédios, CDs, caixas, pallets etc) e melhorar a utilização dos espaços vagos, foi idealizado o desenvolvimento de um protótipo que busca funcionalidade operativa associada a baixo custo.O presente trabalho consiste na construção de um manipulador robótico, controlado através da porta paralela de um microcomputador e composto por guias lineares estruturais, fixadas a um módulo de armazenamento com escaninhos. Para a execução dos movimentos é utilizada a tecnologia de motores de passo, onde dois motores horizontais efetuam os movimentos na coordenada X e um motor vertical, na coordenada Y. Um mecanismo de garras, acionado por motoredutor, foi desenvolvido para a captação dos volumes padronizados (containers). Finalmente, um programa para gerenciamento dos movimentos também foi implementado, com o objetivo de minimizar as operações do manipulador. / [en] A great part of the industry and of the wholesaler and retailer commerce sector, is dealing with some problems related to the storage of their products in sheds. The development of this prototype was initiated in order to improve the products (books, medicines, CDs, boxes, pallets) storage / recovery operations and the use of the vacant spaces. This development also searched to satisfy functionality associated to the low cost. The presented work is based upon the construction of a robotic manipulator. It is controlled by the computer parallel port and composed by structural linear guides that are fixed on a storage module with small partitions, similar to drawers. The movement execution uses the technology of step motors. Two horizontal motors execute the coordinate X movements, and a vertical motor executes the coordinate Y movements. It was developed a end effector mechanism, activated by a motor reducer, in order to capture the standardized containers. It was also implemented a program for the movements management. It looks for the reduction of the manipulator operations. The document s finalization shows and comments the obtained results.