Este trabalho apresenta o estudo, a utilização e a comparação de diferentes técnicas para a identificação operacional dos parâmetros modais da estrutura da Carga Útil do veículo de sondagem suborbital VSB-30. Para isso, são abordados os conceitos básicos envolvidos na Análise Modal Experimental Clássica e Operacional e os métodos de identificação dos parâmetros modais. A utilização da Análise Modal Operacional permite a identificação dos parâmetros modais de uma estrutura a partir de suas condições reais de funcionamento. Uma vez estudados os conceitos básicos necessários e de posse das principais características da Carga Útil é montado o setup para a aquisição dos dados experimentais da estrutura da Carga Útil, a aquisição e identificação dos parâmetros modais da estrutura são realizadas com o auxilio dos softwares Pulse Labshop, OMA, Pulse Reflex e MATLAB respectivamente. A identificação dos parâmetros modais operacionais do sistema é realizada no domínio do tempo utilizando os algoritmos de Identificação no Subespaço Estocástico (SSI): SSI-UPC (Principal Componente não Ponderado); SSI-PC (Componentes Principais) e SSI-CVA - Algoritmo de Variáveis Canônicas) e no domínio da frequência utilizando os algoritmos: FDD (Decomposição no Domínio da Frequência); EFDD (Decomposição Avançada no Domínio da Frequência) e CFDD (Decomposição no Domínio da Frequência por Ajuste de Curva). Os resultados são validados utilizando a ferramenta de validação MAC (Critério de Confiança Modal) e mostram que as técnicas de identificação operacional apresentadas - tanto no domínio do tempo como no domínio da frequência - são capazes de estimar os parâmetros modais da estrutura da Carga Útil utilizando apenas as respostas.

A interação entre as ondas vibratórias geradas pela resposta estrutural de uma placa e os modos acústicos de uma cavidade, que é uma das principais fontes de ruído no interior de cabines de automóveis, é estudada empregando técnicas computacionais e experimentais. Para investigar este fenômeno foi construído um protótipo que consiste de uma cavidade feita de acrílico que simula o interior de um veículo. O teto deste modelo pode ser substituído por uma placa de alumínio flexível, para que se possa gerar efeitos de acoplamento entre o campo acústico e a resposta estrutural. Inicialmente, foi feito um estudo analítico do modelo, empregando-se técnicas de elementos finitos com o objetivo de extrair as freqüências naturais e modos vibroacústicos em uma faixa de freqüência abaixo de 300 Hz, em dois casos diferentes: com e sem a presença de assentos dentro da cavidade. Depois disso, o modelo foi submetido a vários testes experimentais, para se obterem as funções de resposta em freqüência, as freqüências naturais vibroacústicas e os modos acústicos e estruturais, usando excitação acústica e estrutural e empregando métodos padrões de análise modal. Para fins de comparação, as FRF\'s vibroacústicas foram obtidas de duas maneiras diferentes: com excitação estrutural e resposta acústica e com excitação acústica e resposta estrutural. As freqüências naturais e os modos vibroacústicos foram medidos usando excitação acústica e estrutural. Neste caso, é mostrada a importância do controle da força excitadora. Alguns parâmetros experimentais foram variados, tais como posicionamento das excitações acústica e estrutural e o tipo de suspensão. Finalmente, é apresentada uma compilação das diferentes técnicas para a extração dos parâmetros modais vibroacústicos, propondo novas metodologias para a medição dos modos acústicos e estruturais em freqüências abaixo de 70 Hz, controlando a força excitadora e utilizando métodos de ajuste de curvas. É mostrado que o uso de excitação acústica e estrutural merece alguns cuidados, visto que a aplicação dos métodos traz restrições de acordo com a faixa de freqüência e a escolha da melhor forma de extração dos modos vibroacústicos depende da freqüência estudada. / The interaction between the vibration waves generated by the structural response of a plate and the acoustic modes of a cavity, which is one of the main noise sources in automobile passenger cabin, is addressed employing both computational and experimental techniques. In order to investigate this phenomenon a prototype which consists of a cavity made of acrylic that resembles a vehicle interior was built. The roof of this model can be replaced by a flexible aluminum plate in order to generate coupling effects between the acoustic field and the structural response. Initially an analytical study was performed on the model employing finite element techniques with the aim of extracting the vibroacoustic natural frequencies and mode shapes in a frequency range below 300 Hz in two different cases: with and without the presence of seats inside the cavity. After that, the model was submitted to several experimental tests in order to obtain the frequency response functions, vibroacoustic natural frequencies and mode shapes, using acoustic and structural excitation and employing standard modal testing methods. For comparison purposes, the vibroacoustic FRF\'s were obtained in two different manners: with the structural excitation and acoustic response and with acoustic excitation and structural response. The vibroacoustic natural frequencies and mode shapes were measured employing both acoustic and structural excitation. In this case, it is shown the importance of the control of the exciting force. Some experimental parameters were varied, such as positioning of the acoustic and structural sources and the suspension type. Finally, a compilation of different techniques for the vibroacoustic modal parameters extraction is presented, proposing new methodologies for the acoustic and structural modes measurements in frequencies below 70 Hz, using force control and curve fitting methods. It is shown that both acoustic and structural excitations have restrictions concerning the frequency range and the choice of the better method for the extraction of the vibroacoustic mode shapes and natural frequencies depends on it.

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Sérgio Sartori / Resumo: O presente trabalho propõe o estudo e implementação de uma metodologia para a estimação dos parâmetros modais de estruturas utilizando uma técnica de identificação baseada apenas na resposta do modelo, denominada Decomposição no Domínio da Freqüência (DDF). Para tal são abordados os conceitos básicos envolvidos na análise modal, análise modal baseada apenas na resposta e métodos de identificação. A formulação do algoritmo é baseada na decomposição da matriz densidade espectral de potência utilizando a técnica da decomposição em valores singulares (SVD). A decomposição da matriz densidade espectral nas linhas de freqüências correspondentes aos picos de amplitude, permite a estimativa dos modos de vibrar do sistema. Tem-se ainda que, o primeiro vetor singular obtido com a decomposição da matriz densidade espectral, para cada linha de freqüência, na região em torno do modo, contém as respectivas informações daquele modo e o correspondente valor singular leva a uma estimativa da função densidade espectral de um sistema de um grau de liberdade (1GL) equivalente. Neste caso, a matriz densidade espectral de saída é decomposta em um conjunto de sistemas de 1 grau de liberdade. Posteriormente, esses dados são transformados para o domínio do tempo, utilizando a transformada inversa de Fourier, e as razões de amortecimento são estimadas utilizando o conceito de decremento logaritmo. A metodologia é avaliada, numa primeira etapa, utilizando dados simulados e posteriormente utilizando dados experimentais. / Abstract: The present work proposes the study and implementation of a methodology for the estimating of the modal parameters of structures by using the output-only data. The technique called Frequency Domain Decomposition (DDF) identifies the modal parameters without knowing the input. For that, it is discussed the basic concepts involved in identification, modal analysis and output-only modal analysis. The formulation of the algorithm is based on the decomposition of the power spectral density matrix by using the singular values decomposition technique (SVD). The decomposition of the spectral density matrix for the lines of frequency corresponding to the amplitude peaks, allows the estimating of the modes shape of the system. Additionally, the first singular vector obtained with the decomposition of the spectral density matrix, for each line of frequency, in the area around of the peak, contains the respective information of that mode. The corresponding singular value leads to an estimating of the spectral density function of an equivalent system of one degree of freedom. Therefore, the output spectral density matrix is decomposed in a set of one degree of freedom system. Later on, those data are transformed for the time domain by using the inverse Fourier transform and the damping ratios estimated from the crossing times and the logarithm decrement of the corresponding single degree of freedom system correlation function. The methodology is evaluated using simulated and experimental data. / Mestre

Made available in DSpace on 2011-03-23T21:19:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Item created via OAI harvest from source: http://www.bdtd.ufpa.br/tde_oai/oai2.php on 2011-03-23T21:19:44Z (GMT). Item's OAI Record identifier: oai:bdtd.ufpa.br:356 / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Traditional modal parameter identification usually require measurements of both the input force and the resulting response in laboratory conditions. However, when modal properties are to be identified from large structures in operation, usually the possibilities to control and measure the loading on the structure is rather limited. In this case, the modal testing is usually performed using response data only. Operational Modal Analysis (OMA) or Operational Modal Testing is a method where no artificial excitation needs to be applied to the structure or force signals to be measured. In this case, the modal parameters estimation is based upon the response signals, thereby minimizing the work of preparation for the test. However, standard OMA techniques, such as NExT, are limited to the case when excitation to the system is a white stationary noise. The NexT assumes that the correlation functions are similar to the impulse response functions, and then, traditional time domain identification methods can be applied. However, if harmonic components are present in addition to the white noise, these components can be misunderstood as natural modes in the plot of response spectrum. In this work, it is shown that it is possible identify if a peak in the response spectrum correspond to a natural mode or an operational mode. It is achieved through the application of the probability density function. It is also presented a modification in the LSCE algorithm in such manner that it can support harmonics in the operational excitation. In order to validate the methods presented in this work, it is shown numerical and experimental cases. In the former, results for a mass-spring-damper of five degree of freedom are presented, and in the latter a beam supporting an unbalanced motor is analyzed. / A metodologia tradicional de identificação de parâmetros na análise modal de estruturas é realizada a partir de sinais medidos de força de entrada e de movimento de resposta da estrutura em condições laboratoriais controladas. Entretanto, quando é necessária a obtenção dos parâmetros modais de estruturas de máquinas em operação, as condições para controlar e medir a excitação nestas situações impossibilita a realização da análise modal tradicional. Neste caso, o teste modal é realizado utilizando somente dados de resposta do sistema. A Análise Modal Operacional (AMO) é um método de extração modal em que nenhuma excitação artificial necessita ser aplicada ao sistema, utilizando-se a própria excitação operacional como entrada para medição da resposta do sistema. A técnica clássica de Análise Modal Operacional NExT considera, para isso, que a excitação operacional do sistema seja um ruído branco. Esta técnica faz a consideração de que as funções de correlação obtidas de estruturas podem ser consideradas como funções de resposta ao impulso e então métodos tradicionais de identificação modal no domínio do tempo podem ser empregados. Entretanto, caso a excitação operacional contenha componentes harmônicos que se sobressaiam, estes podem ser confundidos como modos naturais do sistema. Neste trabalho é demonstrada que através da função densidade de probabilidade da banda estreita contendo o pico de um modo, é possível identifica-lo como natural ou operacional (proveniente da excitação operacional da estrutura). É apresentada também uma modificação no método de identificação modal Exponencial Complexa Mínimos Quadrados (LSCE), passando a considerar sinais harmônicos de freqüências conhecidas presentes na excitação operacional, em um ensaio utilizando a técnica NExT. Para validação desses métodos, utiliza-se um modelo teórico de parâmetros modais conhecidos analiticamente e como estudo de caso experimental, um sistema formado por uma viga bi-apoiada suportando um motor elétrico com desbalanceamento de massa.

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e análise de um experimento concebido para avaliar a contribuição de materiais de fricção sobre vibrações induzidas na superfície de um disco de freio. O aparato proposto é equipado com um excitador modal (shaker), utilizado para promover e controlar o sinal de excitação que foi aplicado sobre os materiais de fricção avaliados. A resposta dessa excitação na superfície do disco de freio foi mensurada através de acelerômetros. Além da aplicação sobre o experimento proposto, foram avaliados o coeficiente de atrito e a distribuição de asperezas da superfície das oito amostras utilizadas. A característica modal do disco utilizado foi descrita através das suas frequências naturais, amortecimento e formas modais, parâmetros identificados através da aplicação de análise modal experimental. O experimento proposto foi utilizado para identificar as principais características de resposta do disco quando a excitação é realizada através do material de fricção. Essa condição também foi comparada com aquela em que a excitação foi aplicada diretamente no disco A métrica mais adequada para avaliação desse experimento foi identificada como o valor médio da magnitude da Função Resposta em Frequência (FRF), calculado através do estimador H3. O aparato proposto se mostrou capaz de identificar diferenças nas amostras avaliadas quanto à propensão dessas à produção de vibrações na superfície do disco. As amostras foram avaliadas no experimento proposto nas condições sem e com filme tribológico sobre a sua superfície, as quais correspondem ao estado das amostras antes e depois, respectivamente, do processo de caracterização do coeficiente de atrito destas, utilizando o tribômetro do LATRIB/UFRGS. Foi observado que as amostras com filme produziram maior vibração do que as amostras sem filme. Os resultados obtidos demonstraram uma forte correlação entre a propensão das amostras à produção de vibrações e a distribuição de asperezas da superfície das amostras. Esses resultados indicam que materiais de fricção com superfícies planas são capazes de transmitir mais vibração à superfície do disco do que aqueles com superfícies mais rugosas. / The present work describes the development and analysis of an experimental apparatus designed to evaluate the contribution of friction materials in vibrations induced on the surface of a brake disc. The proposed apparatus is equipped with a modal exciter (shaker), which was used to promote and control the excitation signal applied in the evaluated friction material. The response of this excitation in the disc surface was measured with accelerometers. The eight samples evaluated in this study was also characterized in terms of its friction coefficient and the asperity distribution of its surface. The modal characteristic of the disc was described in terms of its natural frequencies, damping and modal shapes, whose parameters were obtained by application of experimental modal analysis. The proposed apparatus was used to identify the main characteristics of the disc response when the excitation is applied throw the friction material. This case was also compared to the condition in which the disc was excited directly by the shaker. The most adequate metric to evaluate this experiment was selected as the mean value of the Frequency Response Function (FRF) spectrum, calculated by the H3 estimator The proposed apparatus showed being capable of identifying differences between the evaluated samples, regarding its propensity to produce vibrations on the disc surface. The samples were evaluated in with and without tribological film deposited on its surface. It was shown that the analyzed samples had the vibration increased with tribological film compared to the condition without the film. The obtained results demonstrated a strong correlation between the samples propensity to the production of vibration and the asperity distribution of the samples surfaces. These results indicate that friction materials with flat surfaces are capable to transmit more vibrations to the disc surface than those samples with rough asperity distribution.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Dissertação de mestrado integrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil. Especialização em Estruturas. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Submitted by Marcio Filho (marcio.kleber@ufba.br) on 2017-06-02T13:18:48Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao - Daniel Correia.pdf: 2103439 bytes, checksum: 21998777742f6bb17677f65b32158289 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-06-08T11:07:45Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertacao - Daniel Correia.pdf: 2103439 bytes, checksum: 21998777742f6bb17677f65b32158289 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-08T11:07:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao - Daniel Correia.pdf: 2103439 bytes, checksum: 21998777742f6bb17677f65b32158289 (MD5) / O objetivo deste trabalho é desenvolver e aplicar uma metodologia para a realização da análise modal experimental em um conjunto de bombeio por cavidades progressivas (BCP), em condições de instalação similares às de poços reais. A técnica utilizada neste trabalho, conhecida como Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD), é capaz de estimar os parâmetros modais com boa acurácia, mesmo na presença de ruído. Ela pode estimar as frequências naturais e formas modais através da decomposição em valores singulares (SVD - Singular value decomposition) da matriz densidade espectral de potência (PSD - Power spectral density) da resposta do sistema a uma excitação de entrada. A taxa de amortecimento pode ser obtida através do cálculo do decremento logarítmico nas funções de autocorrelação. A primeira etapa do estudo consiste no desenvolvimento de algoritmos para a implementação de alguns métodos de análise modal experimental comuns na literatura. Foram implementados os métodos do Peak picking (PP), do Frequency Domain Decomposition (FDD), EFDD e do Least Square Complex Exponential (LSCE). É utilizado um sinal sintético de parâmetros conhecidos para comparar os resultados obtidos entre tais técnicas. Além disso, este sinal teve alguns parâmetros alterados, a exemplo da razão sinal-ruído, e o comportamento da estimação com estas técnicas foi avaliado. Na etapa seguinte, são analisadas estruturas relacionadas ao conjunto BCP, como a coluna de revestimento, onde o conjunto será instalado, além de um dos seus principais subsistemas, o conjunto rotor-estator. Por fim, é realizada a análise modal experimental do conjunto BCP, no interior do poço de testes, em condições de instalação similares àquelas encontradas em um poço real.

Este trabalho se refere ao estudo de sistemas vibratórios lineares em geral, clássicos e não-clássicos, com o uso da resposta impulso como o gerador de uma base dinâmica. Na literatura, livros e periódicos, o estudo ap01a-se essencialmente no método espectral. Este último método consiste na procura de soluções do tipo exponencial multiplicadas por uma constante, que pode ser um simples número, para o caso de sistemas com 1 grau de liberdade, ou um vetor n-dimensional, para sistemas com n graus de liberdade. Para sistemas vibratórios lineares, submetidos a cargas arbitrárias, os métodos operacionais têm sido empregados em vários trabalhos. Aqui, a resposta impulso tem sido identificada como o elemento fundamental para um embasamento matemático que, de algum modo, carrega as propriedades físicas do problema. Esta formulação é válida tanto para um sistema vibratório linear com 1 grau de liberdade, como para um sistema com múltiplos graus de liberdade. A resposta impulso matricial depende de três equações características: uma algébrica, uma diferencial e uma em diferenças. A resposta livre de um sistema vibratório linear é uma convolução da resposta impulso com a força externa. É descrita como uma integral de Duhamel, tendo a resposta impulso como seu núcleo. Em geral, esta integral pode conter uma resposta transiente escondida, introduzida pelo sistema e ligada à parte permanente da resposta que, usualmente, segue a entrada. Nenhuma caracterização associada a estes dois tipos de resposta tem sido estabelecida explicitamente. Utilizando a resposta impulso, como um elemento gerador de uma base dinâmica, é formulada uma relação entre as partes transiente e permanente. O cálculo da resposta livre de sistemas nãoamortecidos e amortecidos, sujeitos a forças temporais elementares de duração finita e algumas de infinita duração no tempo, tem sido realizado com o uso de software simbólico. A análise modal é uma das principais técnicas utilizadas nas aplicações práticas, tanto para medições, quanto para proporcionar um modelo adequado para encaixar dados disponíveis. Esta análise funciona com sistemas não-amortecidos. A limitação desta técnica, para sistemas amortecidos, se fundamenta no fato que o coeficiente de dissipação matricial, ou uma aproximação dele, esteja de alguma maneira relacionado com os coeficientes matriciais de massa e de rigidez. A teoria modal está bem desenvolvida para sistemas com amortecimento proporcional e, mais recentemente, para sistemas com uma aproximação de amortecimento fraco. Relações têm sido estabelecidas para a análise modal com a resposta impulso e a função de transferência para sistemas com tais classes de amortecimento. / This work is concerned with the study of linear vibrating systems, classical and non-classical, by using the impulse response as the generator of a dynamical basis. In the literature, books and journals, this study relies on the spectral method. This later method seeks a exponential type solution times a constant which can be a single number, for the case of systems with one degree of freedom, or a n-dimensional vector, for systems with n degrees of freedom. For linear vibrating systems subject to arbitrary loads, operational methods have been employed in severa! works. Here, the impulse response has been identified as the basic element for a mathematical basis that somehow carries the physics of the problem. This formulation is valid for a one degree of freedom linear vibrating system as well as for systems with severa! degrees of freedom. The matrix impulse response depends on three characteristical equations: one algebraic, one differential and one differences. The free response of a linear vibrating system is a convolution of the impulse response with the load. It is described by a Duhamel type integral, having the impulse response as its kernel. In general, this integral could carry a hidden transient response, introduced by the system, that is attached to its permanent response part which usually follows the input. No characterization among both type of responses has been ever exhibited explícítly. By using the impulse response, as a generating element of a dynamical basis, it is formulated a relationship among the transient and permanent parts. The computation of the free response of undamped and damped systems subject to elementary, finite duration and some infinite duration time forces, has been clone with the use of symbolic software. Modal analysis is one of the main techniques employed in practical applications, either for measurements as well as for proposing adequate model to raw data. It works mainly for undamped systems. The limitation of this technique for darnped systems is on the ground that the dissipation matrix coeficient or an approximation of it, be somehow related to the mass and stiffness matrix coeficients. The modal theory is well developed for systems with the proportional damping and more recently, for systems with an approximate weak damping. Relationships have been established for modal analysis with the impulse response and transfer function for systems with such kind of damping.

O trabalho consiste no estudo de sistemas vibratórios lineares com n graus de liberdade, regidos pela equação diferencial vetorial linear. São analisados aspectos como a aplicação da solução dinâmica a vibrações aleatórias e métodos para a resolução do problema inverso (análise modal experimental). / The work consists on the stucly of vibrating systems with n degrees of freedom, described by the linear vectorial differential equation. We focus our analysis on applications of the dynamical solution to ranclom vibration anel methods for solving thc inverse problem (experimental modal analysis).