This work included two separate studies; the common theme in each was the use of mode-I fracture testing to evaluate wood adhesion. In the first study, mode-I fracture testing was used to compare the thermal stability of polyurethane (PUR) and resorcinol-formaldehyde (RF) wood adhesives. Bonded specimens for both adhesives were subjected to prolonged thermal exposure, and fracture testing was subsequently conducted after re-equilibration to standard test conditions. It was found that both PUR and RF suffered a significant fracture energy loss after heat treatment, and that RF was more thermally stable than PUR, as expected. However, both adhesives suffered significant thermal degradation, and fracture testing did not distinguish the RF system as being clearly superior to PUR. Dynamic mechanical analysis (DMA) was also used to analyze and compare the thermal softening of PUR and RF in terms of the decline in storage modulus. DMA results indicated that PUR specimens suffered greater stiffness loss due to simple thermal softening. Because fracture testing indicated that both adhesives suffered significant degradation, the DMA results suggested that the generally superior fire resistance of RF adhesives is born from greater high temperature stiffness; whereas the more compliant PUR suffers greater immediate softening during thermal exposure. In other words, both systems suffer from thermal degradation, but the more highly cross-linked RF system suffers less thermal softening and therefore maintains a greater load carrying capacity during fire exposure. In the second study, mode-I fracture testing was used to test the effects of wood surface thermal deactivation (surface energy reduction) on the adhesion between southern pine wood (Pinus spp.) and polyethylene (PE). Pine specimens were progressively surface deactivated by 185°C heat treatments for periods of 5, 15, and 60 minutes. Control and deactivated pine laminae were subsequently hotpressed/bonded using PE film as the adhesive. Mode-I fracture testing was conducted under the assumption of linear elasticity, however load/displacement test curves suffered from a severe degree of nonlinearity believed to be caused by PE bridging behind the advancing crack tip. Instead of applying a nonlinear data analysis, a standard linear elastic analysis was conducted and deemed acceptable for comparative purposes within this study. Under dry conditions (unweathered specimens), 5 and 15 minute thermal treatments resulted in progressively worse adhesion (lower fracture energies) when compared to control surfaces; but the 60 minute heat treatment improved adhesion relative to 5 and 15 minute treatments, and showed a trend of improving adhesion as surface deactivation became more extreme. Simulated-weather resistance was also studied and it was determined that the highest degree of surface deactivation slightly improved weather durability in comparison to control surfaces. Overall, the findings here were similar to those in a previously published work- thermal deactivation of wood surfaces shows promise as a method to improve adhesion between wood and nonpolar polyolefins. / Master of Science

This work describes the development of an improved mode I fracture testing procedure for adhesively-bonded wood, and demonstrates the sensitivity of this approach. The two significant improvements were: 1) the use of the flat double cantilever beam (DCB) geometry, which has been uncommon for wood and 2) the application of an established and powerful data analysis using a corrected compliance method from beam theory. Three studies were conducted using various wood adhesives and DCB specimens were fabricated from yellowpoplar (Liriodendron tulipifera) sapwood. The sensitivity of this methodology showed significant differences in fracture performance as the degree of cure increased for a phenol formaldehyde adhesive, and yielded maximum strain energy release rate (SERR) values of 370 - 560 J/m2. A second study showed performance differences between two polymeric diphenylmethane diisocyanate (pMDI) adhesives and one polyurethane adhesive. Typical maximum SERR values were 160 and 130 J/m2 for the pMDI adhesives and 160 J/m2 for the polyurethane adhesive. A third study investigated the effect of loading rates on a cross-linked polyvinyl acetate adhesive and maximum SERR values of 370 - 560 J/m2 were achieved. Adhesive penetration and cure were determined by image analysis with fluorescence microscopy, and by micro-dielectric analysis, respectively. Since the geometry of the fracture procedure dictates the absence of wood failure, the resulting fractured surfaces were readily analyzable. The surface analysis techniques of laser ionization mass analysis, solid-state nuclear magnetic resonance and field emission scanning electron microscopy were used to investigate the locus of failure for the smooth fractured surfaces. / Master of Science

<p dir="ltr">This thesis investigates the large deflection behavior of cantilever beams under various configurations and loading conditions. The primary objective is to uset an analytical model using elliptic integrals to solve the second-order non-linear differential equations that govern the deflection of these beams. The analytical model is implemented in Python and compared against Finite Element Analysis (FEA) results obtained from ANSYS, ensuring the accuracy and reliability of the model. The study examines multiple beam configurations, including straight and inclined beams, with both free and fixed tip slopes. Sensitivity analysis is conducted to assess the impact of key parameters, such as Young’s modulus, beam height, width, and length, on the deflection behavior. This analysis reveals critical insights into how variations in material properties and geometric dimensions affect beam performance. A detailed error analysis using Root Mean Square Error (RMSE) is performed to compare the analytical model's predictions with the FEA results. The error analysis highlights any discrepancies, demonstrating the robustness of the analytical approach. The results show that the analytical model, based on elliptic integrals, closely matches the FEA results across a range of configurations and loading scenarios. The insights gained from this study can be applied to optimize the design of cantilever beams in various engineering applications, including prosthetics, robotics, and structural components. Overall, this research provides a comprehensive understanding of the large deflection behavior of cantilever beams and offers a reliable analytical tool for engineers to predict beam performance under different conditions. The integration of Python-based numerical methods with classical elliptic integral solutions presents a useful approach that enhances the precision and applicability of beam deflection analysis.</p>

The dynamic characteristics of shroud blade group played a significant role in steam turbine design. However, the complex shape and periodical structure of shroud blades make it so hard to find its dynamic characteristics under high speed operation. The complicate shape, periodic structure, and tedious computation limit the application of finite element method in the design analysis of shroud group blades. In order to design the shroud blade group, the component mode synthesis method was employed to derive the system dynamic equation of the grouped periodical blades. For simplicity, a pre-twisted and tapered cantilever beam is used to derive the approximate analytic solution of a rotating turbo blade. Then the approximated eigen solution of single blade is synthesized in company with the constrain condition by using the component mode synthesis method. In order to confirm the feasibility of the proposed simulation method, a real size turbine blade is used to discuss in the study. Through a comparison between the results solved from the proposed method and finite element method of single blade and shroud blade group to prove the reliability of the proposed method. The effect of blade parameters on the dynamic characteristic of shroud blade group has investigated in this work. Numerical results indicate the proposed method is feasible and effective in dynamic design analyses of the shroud blade group.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente. / This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente. / This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-10T19:51:47Z No. of bitstreams: 1 THIAGO TAKUMI TAN – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 9018003 bytes, checksum: 45bd9458239c0c274dabe5c7aee2f165 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-10T19:51:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 THIAGO TAKUMI TAN – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 9018003 bytes, checksum: 45bd9458239c0c274dabe5c7aee2f165 (MD5) Previous issue date: 2017-03-13 / O objetivo desta dissertação foi desenvolver dispositivos que possam ser utilizados para ensaios de fratura interlaminar modo-I e modo-II em materiais dissimilares, para aplicação de cargas dinâmicas. Para o desenvolvimento dos dispositivos foi utilizada uma adaptação da metodologia de projeto apresentada por Maribondo (2000), que consiste em projeto informacional, projeto conceitual, projeto preliminar, projeto detalhado, fabricação e testes. A escolha dos ensaios que podem ser utilizados para obter tais modos de fratura foi realizada com base no estudo de trabalhos acadêmicos, que apontou o ensaio double cantilever beam (DCB), como sendo o mais utilizado para estudo de fratura interlaminar modo-I, e também foi observado o crescimento do uso do ensaio end-loaded split (ELS), para estudo de fratura interlaminar modo-II. Os dispositivos desenvolvidos foram testados em uma máquina de impacto por queda de peso, onde foram utilizados corpos de prova de junta adesiva de alumínio/epóxi. Realizaram-se testes modo-I e modo-II bem-sucedidos, analisando o comportamento dos dispositivos e dos corpos de prova durante o ensaio e após o mesmo. / The main objective of this dissertation for the devices that can be used for mode-I and mode-II interlaminar fracture test in dissimilar materials. For the development of devices for design methodology that projects in informational design, conceptual design, preliminary design, detailed design, fabrication and testing. The choice of the tests that can be used to obtain such fracture modes was made based on the study of academic papers, which pointed to the double beam cantilever (DCB) test, as being the most used for the study of interlaminar mode-I, and end-loaded split (ELS) for the study of mode-II interlaminar fracture. The developed devices were tested in a weight drop impact machine, where aluminum / epoxy adhesive joints were used. Testing and analysis of the behavior of the devices and test bodies were carried out during and after the test.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

Neste trabalho, é apresentado um estudo sobre um sistema de micro geração de energia a partir da vibração de uma viga em balanço utilizando um transdutor piezoelétrico. A análise é feita levando-se em consideração as dimensões da viga utilizada, tipo de gerador piezoelétrico e diferentes tipos de cargas acopladas a este. O sistema de geração tem sua excitação realizada por um atuador piezoelétrico, que é alimentado por uma fonte de tensão com amplitude, frequência e forma de onda ajustáveis. A avaliação da potência de saída e influência dos diferentes tipos de carga acoplados a saída são analisados. As cargas utilizadas são: puramente resistiva, resistiva-capacitiva e não linear, por meio de um retificador de onda completa. Para avaliar experimentalmente os resultados analíticos foi utilizado um protótipo de uma viga em balanço construída com uma barra de alumínio exposta a uma excitação, induzida por um outro transdutor piezoelétrico ligado a uma placa dSpace controlada por um computador. Os parâmetros do sistema são identificados sendo possível determinar sua influência na saída e realizando assim uma análise pontual do micro gerador piezoelétrico quando submetido a uma carga qualquer. Os resultados da geração com os diferentes tipos de cargas são comparados, bem como a influência destas na dinâmica do sistema. As potências máximas são apresentadas em diferentes modos de vibração depois de otimizadas. Foram obtidos os seguintes resultados: 3;357mW com uma resistência de 200k no primeiro modo; 13;17mW com uma resistência de 50k no segundo modo; para o terceiro e quarto modos de vibração a máxima potência é obtida com a resistência de 10k, sendo 10;22mW e 15;63mW, respectivamente. A alteração da frequência de vibração é de aproximadamente 0;2% para os modos de vibração em função da resistência máxima e mínima. Para a carga resistiva-capacitiva, o comportamento da geração não é afetado significativamente para os valores de resistência de 1M e 100k. Com os valores de 10k e 1k a potência ativa se eleva em 30%, aproximadamente. O comportamento da carga não linear é aproximado por uma impedância com característica capacitiva. Sendo que, com a elevação da frequência, a impedância vista pelo gerador piezoelétrico é diminuída. A energia armazenada é de 0;8039mJ, 2;5245mJ e 1;3041mJ para o primeiro, segundo e terceiro modos de vibração, respectivamente. / This work presents a study of a energy harvesting system based on vibration from a cantilever beam utilizing a piezoelectric generator. The analysis considers the dimensions of the beam, type of piezoelectric generator and di erent types of loads coupled. A piezoelectric actuator is handles for the system excitement, powered by a voltage source with adjustable amplitude, frequency and shape. Are evaluate the output power and the in uence of di erent charge types coupled to the piezoelectric generator. The loads are purely resistive, resistive-capacitive and non-linear, by a full-wave bridge recti er. To check experimentally the analytical results, are used a prototype of a cantilever beam constructed with an aluminum bar exposed to an excitation induced by another piezoelectric transducer attached to a dSpace board controlled by a computer. The system parameters are individually identi ed to determine their in uence on output, allowing the punctual analysis of the piezoelectric harvesting when subjected to any load. The results of power generation are compare with di erent types of loads as well as its in uence on the dynamic of the system. After a optimization, the greatest power delivered to the load happen in di erent vibrational modes. We obtain the following results: 3:357mW with a 200k resistance in the rst mode; 13:17mW with a 50k resistance in the second mode, for the third and fourth vibration modes greatest power is obtained with the 10k resistance, being 10:22mW and 15:63mW, respectively. The modi cation of the vibration frequency are approximately 0:2% for all vibration modes depending on the largest and smallest resistance. For the resistive-capacitive load, the generation behavior are not a ect to the 1M and 100k resistance. With the 10k and 1k values, the active power increases by approximately 30%. The nonlinear load behavior are approach by an impedance with capacitive characteristics. With increasing of frequency, the impedance seen by the piezoelectric harvester is decreased. The energy stored is 0:8039mJ, 2:5245mJ and 1:3041mJ for the rst, second and third vibration modes, respectively.