Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Geotecnia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the study on a linear ultrasonic motor with tubular geometry for linear displacements. Similar topologies, reported elsewhere, are conceived for producing rotary motions. Due to some particular characteristics of this geometry, not explored yet, a new study on interaction between resonance modes in a hollow cylinder for linear movement generation is proposed. In order to experimentally investigate the resonance modes in tubular stators, a proof of concept prototype was built and tested. The prototype consisted of a internally toothed phosphore bronze tube, excited by two PZT rings. Several types of mobile axes, with one or more solid cylinders of aluminum or stainless steel, were employed. The methodology of test consisted of changing geometric parameters, properties of materials, sweeping driving conditions, and observing the respective movement on the shaft. Tests showed the production of linear and/or angular movements, with maximum speeds of 0,07m/s, but with little uniformity and repeatability. The lack of conclusive hypothesis on the stability issue, based only on experimental set of results, has led to a reassessment of the methodology of investigation, including additional analysis tools for the characterization of the device. So, a simple analytical modeling of the stator was formulated to set up a project methodology. Despite its simplicity and limitations, the analytical model allows a first order approximation for resonance modes, and relates them to the constructive parameters of the stator. In order to take the influence of the factors neglected in the analytical modeling into account, the analysis was complemented with finite element method (FEM) simulations. The deformation profiles of the stator to the 21st resonance mode were analyzed using FEM. With the results, it is possible to predict the behavior of the resonance frequencies, and the corresponding deformations they produce on the teeth, for each stator configuration. The most important result of this analysis is to show the relationship between aspect ratio of ellipsoidal trajectory on the stator teeth and the geometry of the stator. This allows a conclusive diagnosis on the inefficiency of the built prototype: The small amplitude of the longitudinal component of traveling deformation wave. An analysis of simulations results has lead to a design methodology for this new type of motor. The results showed that if the stator is redesigned according to the proposed methodology, it would be able to produce longitudinal deformations of 2.6 μm, with ceramics driven at 35.3 V. If Compared to simulations of the prototyped stator the new project exhibits an increase of 90% for radial deformation components of, and 3600% for the longitudinal components, indicating that if the new design was implemented, it could achieve much higher efficiency in movement production. / Este trabalho apresenta o estudo de um motor ultra-sônico com geometria tubular para movimentos lineares. Outros motores com geometria tubular, encontrados na bibliografia, são concebidos para a produção de movimentos rotativos. Devido a diversas características ainda não exploradas desta geometria, um novo estudo sobre a interação dos modos naturais de vibração de um cilindro vazado para a geração de movimento linear é proposto. Com o objetivo de investigar experimentalmente os modos de ressonância em estatores tubulares, um protótipo para prova de conceito foi construído e ensaiado. O protótipo consiste de um tubo vazado, dentado internamente, excitado por dois anéis de PZT. Foram utilizados diversos tipos de eixos móveis, com um ou mais cilindros maciços de alumínio ou aço inoxidável. A metodologia de ensaio consistiu da variação dos parâmetros geométricos, propriedades de materiais e condições de acionamento, e da respectiva observação e medição dos movimentos do eixo. Os testes evidenciam a produção de movimentos lineares e/ou angulares com velocidades máximas de aproximadamente 0,07m/s, mas com pouca uniformidade e repetibilidade. A impossibilidade de uma análise conclusiva sobre a instabilidade do motor com base apenas nos resultados experimentais de bancada motivou uma reavaliação da metodologia de estudo e a busca de ferramentas adicionais para a caracterização do dispositivo. Uma modelagem analítica do estator foi formulada para que um roteiro de análise e cálculos dimensionais pudessem ser estabelecidos. Embora simples e com diversas limitações, o modelo obtido permite aproximações de primeira ordem para os modos de ressonância em função dos parâmetros construtivos do estator. Para que a influência das não-linearidades não incluídas na modelagem possa ser avaliada, a análise foi complementada com simulações pelo método dos elementos finitos (FEM). Os perfis das deformações do estator até o 21o modo de ressonância foram analisados utilizando FEM. Com os resultados obtidos, é possível prever o comportamento das freqüências naturais e das deformações nos dentes em função das características do estator. O resultado mais importante desta análise é mostrar a relação de aspecto da trajetória elipsoidal dos dentes do estator, com a geometria do estator, permitindo um diagnóstico conclusivo sobre a ineficiência do protótipo construído: A baixa amplitude da componente de deformação longitudinal da onda viajante no tubo. O estudo dos resultados das simulações permitiu o estabelecimento de um roteiro de análise e cálculos dimensionais para este novo tipo de motor. Simulações realizadas mostraram que um estator projetado com o roteiro proposto, é capaz de produzir deformações longitudinais de 2,6μm e radiais de 3,8μm, quando as cerâmicas piezelétricas são acionadas a 35,3 V. Comparando-se os resultados das simulações do estator prototipado com o novo projeto, observa-se um acréscimo teórico de 90% nas componentes de deformação radial e 3600% nas componentes longitudinais, indicando que um novo protótipo construído de acordo com o projeto pode atingir uma eficiência muito superior na produção de movimento.