Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: A identificação de trincas ainda é um desafio na área de monitoramento da integridade estrutural em eixos rotativos. Embora muitas técnicas e modelos tenham sido desenvolvidos, encontrar uma técnica eficiente que possa localizar uma única ou múltiplas trincas ao longo do eixo, ainda é um grande desafio. Nesse trabalho, um novo índice para localização de trincas em eixos rotativos é apresentado. A equação do movimento do rotor com trinca utiliza a notação em coordenadas complexas a fim de separar as contribuições dos modos de precessão direta e retrógrada. O índice SDI (shape and directivity index) é calculado para o rotor, cujo modelo matemático considera a variação instantânea da rigidez do elemento finito devido à abertura e o fechamento gradual da trinca, conhecido como efeito breathing. Através da manipulação do SDI no modelo de cores HSV (hue, saturation and value), desenvolve-se uma escala métrica, visualizada em um mapa de cores, que possibilita localizar a anisotropia causada pela trinca ao longo do eixo. Profundidade e posição da trinca, presença de múltiplas trincas, entre outros fatores que afetam a assinatura da trinca em outros métodos de identificação são analisados. Bons resultados demonstram a eficiência e robustez do novo índice para diversos casos de operação do rotor. Essa métrica de dano acrescenta uma contribuição para os métodos de localização de trincas em sistemas rotativos. / Abstract: Crack identification is still a challenge in the area of structural health monitoring dedicated to rotating shafts. Although many techniques and models have been developed, finding an efficient technique capable of locating a single or multiple cracks along the shaft is still a challenge. In this work, a new index for locating cracks in rotating shafts is proposed. The equation of motion of the cracked rotor uses notation in complex coordinates in order to separate the contributions of forward and backward precession modes. The SDI (shape and directivity index) is calculated for the cracked rotor, which mathematical model considers the instantaneous variation of the finite element stiffness due to the gradual opening and closing of the crack, known as the breathing effect. By manipulating the SDI in the HSV (hue, saturation and value) color model, a metric scale is developed to locate the anisotropy caused by cracks along the shaft, visualized on a color map. Depth and position of the crack, presence of multiple cracks, among other factors that affect the signature of the crack in other identification methods are analyzed. Good results demonstrate the efficiency and robustness of the new index for several rotor operation conditions. This damage metric contributes to crack localization methods in rotating systems. / Doutor

Esse trabalho compara análises modais, obtidas por dois métodos distintos, de propriedades de imagens de chamas de um forno industrial. Visto que a combustão de gases e líquidos é caracterizada pelo tipo de injeção de combustível, pela formação aleatória de vórtices e pela distribuição de reagentes, o exato sinal de excitação do sistema é, na prática, muito pouco conhecido, cabendo aos métodos de análise a identificação dos parâmetros modais sem essa informação. Para vencer este obstáculo, na presente dissertação foram utilizados o método de Ibrahim no Domínio do Tempo (ITDM) e o método Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associados à técnica do decremento aleatório (Random Decrement - RandomDec). A técnica RandomDec permite a obtenção de um sinal proporcional ao decaimento livre do sistema, a partir de uma excitação aleatória. Essa proporcionalidade permite que os métodos no domínio do tempo citados anteriormente sejam empregados na obtenção das características de vibração do sistema. O estudo da dinâmica de chamas com base em propriedades de suas imagens é tema muito pouco abordado na literatura; por esse motivo, inicialmente foi realizado, por meio de simulações numéricas em um sistema hipotético, um completo teste de sensibilidade de todos os métodos e da técnica a serem implementados no problema real do forno industrial. Posteriormente, os dados de chamas foram utilizados para obtenção dos modos de vibrar das propriedades de imagens. Os resultados mostram que a modelagem realizada pelo ERA para sistema SIMO (single input and multiple output) fornece modos de vibrar com amortecimentos mais condizentes com a dinâmica da chama e, assim, sugerem que, em princípio, está técnica poderia ser utilizada prontamente na identificação desse tipo de sistema, sem a necessidade da realização de qualquer outra análise modal para corroborar os resultados. Além disso, a identificação de um sistema complexo como o analisado, utilizando métodos de análise modal operacional, enseja a possibilidade de pesquisas visando obter sistemas de controle baseado em imagens para plantas com características semelhantes. / In this present study, two different modal analysis methods are applied to obtain and compare models for properties of flame images captured in an industrial furnace. Since combustion of gases and liquids is characterized by the type of fuel injection, random formation of vortices and distribution of reagents, the system excitation signal isn\'t precisely known in the reality, thus the analysis methods must identify the modal parameters without this information. To overcome this obstacle, Ibrahim Time Domain Method (ITDM) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) associated with the Random Decrement (RandomDec) technique were implemented in this thesis. The RandomDec technique give the means to obtain a signal which is proportional to the free decay of the system when it is randomly forced. This proportional signal allows the previously mentioned analysis methods to be used to identify vibration characteristics of the system. The study of flame dynamics based on its image characteristics is barely approached in the literature; for this reason, a complete sensitivity test of all the methods and techniques to be implemented in the real problem of industrial furnaces was initially performed through numerical simulations of a hypothetical system. Afterwards, flame data was used to obtain the vibration modes of image properties. The results lead to conclude that the SIMO (single input and multiple output) model obtained by ERA has vibration modes with more consistent damping regarding flame dynamics and suggest also that this technique could be readily used in the identification of this kind of system, without the need of any other modal analysis for results corroboration. Furthermore, the utilization of operational modal analysis methods to identify a complex system such as the analyzed one may instigate researches on image-based control systems of industrial plants with suchlike characteristics.

Orientador: João Antônio Pereira / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: Heraldo Nélio Cambraia / Resumo: O presente trabalho propõe uma metodologia de ajuste de modelos de elementos finitos aplicado a problemas de contato. O ajuste do modelo é realizado através da atualização dos parâmetros físicos e/ou geométricos do modelo bem como dos parâmetros dos elementos de contato. O método utilizado é baseado nas FRF(s) e é formulado a partir de um resíduo de entrada, dado pelo balanço de força do sistema. Um software é implementado para fazer a comparação e correlação dos modelos analítico e experimental, e se necessário, ajustar os parâmetros do modelo analítico. O modelo analítico é gerado pelo software comercial ANSYSâ, e os dados experimentais são obtidos em testes experimentais de análise modal. A metodologia foi avaliada com exemplos numéricos e testes experimentais buscando identificar as potencialidades e limitações do método. Dois testes experimentais foram realizados. O primeiro teste consiste em obter os parâmetros modais de uma estrutura simples do tipo viga. No segundo teste, os parâmetros modais são obtidos de uma estrutura composta por duas peças em contato. O objetivo do primeiro teste é avaliar a potencialidade da metodologia proposta utilizando uma base de dados experimental confiável, já que a estrutura é simples e suas propriedades são bem conhecidas. O segundo teste tem por objetivo avaliar a metodologia para o problema de contato. Os resultados apresentados mostram a funcionalidade da metodologia. O ajuste foi realizado com êxito tanto para a estrutura simples como para a estrutura composta por duas peças em contato. / Abstract: The present work proposes a finite element model updating methodology applied to problems of contact. The updating of the models is accomplished through the updating of the physical and/or geometric parameters of the model as well as the parameters of the contact elements. The approach is a FRF-based method; it is formulated from input residue, given by the equilibrium force of the system. It is implemented a software to makes the comparison and correlation of the analytical and experimental models, and if necessary, to adjust the parameters of the analytic model based in the experimental data, in order to get a more reliable finite element model. The analytical model is created by the commercial software ANSYSâ, and the experimental data are obtained by experimental modal tests. The methodology was evaluated with numeric and experimental data aiming at identifying of the potentialities and limitations of the method. Two experimental tests were developed, the first test consists of the analyses of a beam like structure and the second one, the analysis of a structure composed by two pieces in contact. The aim of the first test is to evaluate the potentiality of the methodology using a reliable experimental base of data, since the structure is simple and its properties are very wellknown. The second test has for objective to evaluate the methodology for problems of contact. The presented results have shown the functionality of the methodology. The adjustment was accomplished with relative success for the simple structure as well as for the structure composed by two pieces in contact. / Mestre

Os materiais compósitos (composites) poliméricos reforçados são bem conhecidos por sua excelente combinação de alta rigidez estrutural e baixo peso. Sua inerente anisotropia permite ao projetista customizar as propriedades do material juntamente com as características geométricas e funcionais da peça de maneira a se obter o desempenho desejado. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de ferramentas de auxílio para análise e otimização que possibilitem dimensionar de modo rápido e seguro a peça a ser fabricada considerando-se os requisitos estruturais, características funcionais e restrições impostas pelo processo de fabricação. Dentre esses requisitos, considera-se o comportamento dinâmico de componentes fabricados a partir destes materiais. Sendo assim, confeccionou-se amostras na forma de vigas através do processo de hand-lay-up (moldagem manual) seguido de uma moldagem sob pressão e aquecimento. Um banco de ensaios foi montado com amostras a base de resina epoxi e fibra de vidro possuindo diferentes sequências de empilhamento de lâminas para a realização de uma análise modal. A partir dos resultados obtidos experimentalmente, buscou-se verificar a influência da sequência de empilhamento das lâminas nas frequências naturais e nos fatores de amortecimento modal. Tais experimentos foram também utilizados para validar os resultados do modelo teórico proveniente de uma análise numérica realizada pelo método dos elementos finitos. Finalizando, o trabalho propõe um ciclo de desenvolvimento de projeto para estes componentes integrando procedimentos de simulação numérica e experimentais visando a otimização do projeto do componente com maior rapidez, confiabilidade e menor custo. / The composite materials are well known by their excellent combination of high structural stiffness and low weight. Their inherent anisotropy allows the designer to tailor the material in order to achieve the desired performance requirements. Thus, it is of fundamental importance to develop tools that allow the designer to obtain optimized designs considering the structural requirements, functional characteristics and restrictions imposed by the production process. Within these requirements, this work considers the dynamic behavior of components manufactured from polymer reinforced materials (epoxy and glass fiber). To this end, some beams were made using the hand-lay-up process followed by a molding under pressure and heating. A set of experimental dynamic tests were carried out using samples with different fiber orientations and stacking sequences. From the results, the influence of the fibers orientations as well as the stacking sequences on the natural frequencies and modal damping were investigate. Also, these experiments were used to validate the theoretical model and the results obtained from the finite element analysis. Finally, it was proposed a design cycle which integrates experimental and theoretical procedures in order to get optimized designs in a faster and reliable way.

Os materiais compósitos (composites) poliméricos reforçados são bem conhecidos por sua excelente combinação de alta rigidez estrutural e baixo peso. Sua inerente anisotropia permite ao projetista customizar as propriedades do material juntamente com as características geométricas e funcionais da peça de maneira a se obter o desempenho desejado. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de ferramentas de auxílio para análise e otimização que possibilitem dimensionar de modo rápido e seguro a peça a ser fabricada considerando-se os requisitos estruturais, características funcionais e restrições impostas pelo processo de fabricação. Dentre esses requisitos, considera-se o comportamento dinâmico de componentes fabricados a partir destes materiais. Sendo assim, confeccionou-se amostras na forma de vigas através do processo de hand-lay-up (moldagem manual) seguido de uma moldagem sob pressão e aquecimento. Um banco de ensaios foi montado com amostras a base de resina epoxi e fibra de vidro possuindo diferentes sequências de empilhamento de lâminas para a realização de uma análise modal. A partir dos resultados obtidos experimentalmente, buscou-se verificar a influência da sequência de empilhamento das lâminas nas frequências naturais e nos fatores de amortecimento modal. Tais experimentos foram também utilizados para validar os resultados do modelo teórico proveniente de uma análise numérica realizada pelo método dos elementos finitos. Finalizando, o trabalho propõe um ciclo de desenvolvimento de projeto para estes componentes integrando procedimentos de simulação numérica e experimentais visando a otimização do projeto do componente com maior rapidez, confiabilidade e menor custo. / The composite materials are well known by their excellent combination of high structural stiffness and low weight. Their inherent anisotropy allows the designer to tailor the material in order to achieve the desired performance requirements. Thus, it is of fundamental importance to develop tools that allow the designer to obtain optimized designs considering the structural requirements, functional characteristics and restrictions imposed by the production process. Within these requirements, this work considers the dynamic behavior of components manufactured from polymer reinforced materials (epoxy and glass fiber). To this end, some beams were made using the hand-lay-up process followed by a molding under pressure and heating. A set of experimental dynamic tests were carried out using samples with different fiber orientations and stacking sequences. From the results, the influence of the fibers orientations as well as the stacking sequences on the natural frequencies and modal damping were investigate. Also, these experiments were used to validate the theoretical model and the results obtained from the finite element analysis. Finally, it was proposed a design cycle which integrates experimental and theoretical procedures in order to get optimized designs in a faster and reliable way.

Este trabalho apresenta um novo algoritmo para a estimação de frequências e amortecimentos de vibrações, baseado em aproximantes de Padé, a partir da análise de sinais temporais oriundos de estruturas de grande porte. O algoritmo se baseia nas propriedades de convergência dos aproximantes de Padé, que garantem a existência de pólos que representam corretamente as componentes senoidais do sinal, e numa peculiar distribuição de pólos e zeros espúrios que decorrem da sobre-determinação do aproximante. O comportamento estatístico do algoritmo é estudado através de experimentos numéricos e sua aplicação em um caso real é feita. / This work introduces a novel estimation technique for vibration frequency and damping estimation, based on Padé approximants, and using time series taken from large structures. The algorithm is based on convergence properties of Padé approximants that assures the existence of real poles representing the sinusoidal components of the signal, and a remarkable distribution of stray poles and zeros, resulting from the approximant overdetermination. Its statistical behavior is analyzed through numerical experiments and an application for a real structure is provided as example.

Esse trabalho investiga o impacto do comportamento transitório e em regime permanente da carga sobre a estabilidade de tensão do sistema elétrico. Para isso, utiliza-se uma modelagem detalhada da rede elétrica, capaz de representar os principais eventos inerentes aos fenômenos de instabilidade e colapso de tensão. A simulação numérica do sistema algébrico-diferencial resultante é realizada utilizando-se o solver DASSLC. Ao final desse trabalho, faz-se uma análise da resposta dos diferentes modelos de carga sobre a estabilidade de tensão do sistema de 14 barras do IEEE. / This work investigates the impact of transient and steady state load behavior on power systems voltage stability. In order to do this, a detailed electric power system model is used to reproduce the main aspects of voltage instability and collapse phenomena. The numerical solution of the resulting non-linear differential-algebraic equations is carried out by using the DASSLC solver. An analysis of different load models behaviour for some voltage instability situations is presented for IEEE 14 bus system.

Apresenta-se um estudo analítico e experimental do fenômeno de interação entre excitadores eletrodinâmicos e a estrutura em ensaios de vibração e discutem-se causas e efeitos desta interação na qualidade dos resultados obtidos. Inicialmente, realizam-se simulações numéricas que contemplam as características mecânicas e eletromagnéticas do excitador. Definido o modelo para o excitador, realizam-se simulações de teste com estruturas, dos quais obtêm-se as forças de entrada e funções de resposta em freqüência (FRFs) estimadas que serão comparadas às FRF reais da estrutura. Posteriormente, considera-se a inclusão de graus de liberdade rotacionais aos modelos do excitador e da estrutura. Finalmente, as simulações de testes com múltipla excitação têm como objetivo principal o de observar os fenômenos de queda de força de excitação e seus efeitos sobre as FRFs estimadas. Com os resultados experimentais verificam-se os principais fenômenos da interação excitador / estrutura observados nas simulações numéricas tais como a queda da força de excitação e a influência da dinâmica do conjunto excitador / amplificador na resposta da estrutura. Através dos resultados experimentais obtidos com uma viga metálica observam-se os principais efeitos previstos pelas simulações. Ainda, comparam-se as alterações nos dados obtidos com outros métodos de excitação tais como, martelo impulsivo e excitação em malha fechada. Testes realizados com diferentes estruturas, como um pneumático e um chassi tubular, vêem complementar os dados obtidos até então para excitação com um único excitador. Os testes realizados com a finalidade de validar os modelos que incluem graus de liberdade rotacionais mostram que tais grandezas não podem ser negligenciadas, principalmente no que se referem aos testes com excitação via base, em que o item de teste é montado diretamente sobre o excitador. Ainda, verificam-se os resultados obtidos com diversos estimadores de FRFs em ensaios com acréscimo de ruído aos sinais de entrada e saída. Os resultados experimentais realizados com dois excitadores mostram os mesmos efeitos observados nas simulações, em geral uma redução na queda da força de excitação e uma melhor distribuição de energia pela estrutura. / An analytical and experimental study of the interaction between electrodynamic exciters and the structure under test is presented, and the causes and effects of this interaction on the obtained data quality are discussed. Initially, some numerical simulations are performed concerning the shaker\'s mechanical and electrical features. Once the shaker model is defined, some tests with structures were simulated in order to obtain the input forces and the estimated frequency response functions to be compared with the measured FRFs. Afterwards, the rotational degrees of freedom were included in the shaker and structure models. Ending this section, tests with multiple input forces were simulated. The experimental results confirm most of the phenomena observed in the simulation section, such as the input force drop-off and the influence of the shaker / power amplifier assembly on the structure\'s response. The tests conducted with a steal beam confirmed the effects predicted by the simulations. Therefore, these results are compared with others, obtained from alternative methods such as impact test and closed loop shaker tests. Tests with structures like a truck tyre and a tubular chassis complement the assessment of single input tests. The tests performed with the objective of validating the models considering rotational degrees of freedom show that these quantities cannot be neglected, mainly when base driven tests are concerned. Also, the efficiency of FRF estimators applied to shaker tests, in the presence of noise on the input and output channels is verified experimentally. The multiple input tests corroborate the effects observed in the simulations, in general, a reduction of the droopoff on the force and an improvement on the input energy distribution on the structure.

Este trabalho apresenta um novo algoritmo para a estimação de frequências e amortecimentos de vibrações, baseado em aproximantes de Padé, a partir da análise de sinais temporais oriundos de estruturas de grande porte. O algoritmo se baseia nas propriedades de convergência dos aproximantes de Padé, que garantem a existência de pólos que representam corretamente as componentes senoidais do sinal, e numa peculiar distribuição de pólos e zeros espúrios que decorrem da sobre-determinação do aproximante. O comportamento estatístico do algoritmo é estudado através de experimentos numéricos e sua aplicação em um caso real é feita. / This work introduces a novel estimation technique for vibration frequency and damping estimation, based on Padé approximants, and using time series taken from large structures. The algorithm is based on convergence properties of Padé approximants that assures the existence of real poles representing the sinusoidal components of the signal, and a remarkable distribution of stray poles and zeros, resulting from the approximant overdetermination. Its statistical behavior is analyzed through numerical experiments and an application for a real structure is provided as example.

Trabalho realizado na Empresa Caetanobus, orient. pela Engenheira Catarina Leal / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010