Orientador: Vicente Lopes Junior / Resumo: A ideia central deste trabalho é utilizar o método dos Elementos Espectrais (SEM, do inglês Spectral Element Method) para aplicações de controle ativo de vibrações e monitoramento da integridade estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring). Diversos trabalhos têm abordado estes tópicos de forma independente. No entanto, para aplicações reais de engenharia, utilizar os mesmos atuadores, sensores e sistemas de aquisição de dados para controle e monitoramento pode reduzir investimentos e simplificar processos. Por esta motivação, este trabalho apresenta um estudo de modelos espectrais para estruturas do tipo viga considerando aplicações de controle de vibrações e monitoramento da integridade estrutural. Na modelagem são considerados os modelos de vigas de Euler-Bernoulli e Timoshenko, além de transdutores piezelétricos acoplados. A técnica de controle clássico PID (Proporcional, Integral, Derivativo) é explorada e uma nova modelagem é proposta para se considerar técnicas modernas de controle por realimentação de estados na formulação espectral. Em particular, discute-se o controlador LQR (do inglês, Linear Quadratic Regulator), no entanto, a metodologia permite se considerar outras técnicas de controle por realimentação baseada na representação no espaço de estados. Também, especificamente para monitoramento estrutural, no presente trabalho de tese apresenta-se uma discussão sobre índices de detecção de danos. Índices de detecção calculados a partir de sinais experimen... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The main idea of this thesis is to use the Spectral Element Method (SEM), in applications of Active Vibration Control (AVC) and Structural Health Monitoring (SHM). These two topics have been approached in several works, but in an independent way. However, for real engineering applications, to use the same actuators, sensors and data acquisition systems to active control and structural monitoring can reduce the costs and simplify processes. For this reason, this thesis presents a study of spectral models for beam-like structures considering applications of vibration control and structural health monitoring. The Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are used in the spectral modelling and the piezelectric transducers bonded in the structures are also considered. A classical control technique, PID (Proportional, Integral, Derivative) is explored and a new modelling approach to consider modern control methods of state feedback is proposed in spectral formulation. In particular, the Linear Quadratic Regulator (LQR) is discussed, however, this methodology allows for any other state feedback control techniques based in state space representation. Also, specifically for structural monitoring, is presented a discussion about damage detection indices. Detection indices computed from experimental data have been widely used in SHM studies. However, little has been clarified about their behaviours due to structural characteristics and damages. In this context, this work presents a d... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-09T14:06:57Z No. of bitstreams: 1 ARMANDO WILMANS NUNES DA FONSECA JÚNIOR - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5713433 bytes, checksum: aba957d62b27260ecd8141ce8547fa05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-09T14:06:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ARMANDO WILMANS NUNES DA FONSECA JÚNIOR - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 5713433 bytes, checksum: aba957d62b27260ecd8141ce8547fa05 (MD5) Previous issue date: 2018-08-31 / Capes / No decorrer dos anos, com a construção de pontes cada vez mais longas e leves, o comportamento dinâmico passa a ser um fator limitante no projeto dessas estruturas. Portanto, é de grande interesse que sistemas de controle de vibrações estruturais sejam desenvolvidos. Entre os vários materiais utilizados atualmente para supressão de vibrações, estão as ligas com memória de forma (LMF). Estas vêm ganhando popularidade graças a sua capacidade de sofrer grandes deformações reversíveis, aliadas às suas propriedades de dissipação de energia. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo realizar o controle passivo de vibrações num protótipo de ponte estaiada, em escala reduzida, utilizando molas superelásticas de uma LMF Ni-Ti (Nitinol). Foram realizadas análises dinâmicas na estrutura utilizando ferramentas analíticas, numéricas e experimentais. Nos resultados experimentais, obteve-se uma redução de até 75% de transmissibilidade de força em vibração livre, em comparação com a estrutura com molas equivalentes, de aço. Em vibração forçada, o valor de redução de transmissibilidade de força chegou a um máximo de 85,5%. Os resultados numéricos mostraram boa coerência na determinação dos parâmetros modais da estrutura e na resposta em vibração livre, com maior erro associado aos resultados em vibração forçada, mais especificamente no segundo modo de vibrar do sistema. Concluiu-se que as molas de LMF têm capacidade de dissipação de energia vibracional para a aplicação em estruturas de pontes e os modelos numéricos permitem uma boa previsão da resposta da estrutura. / Over the years, with the construction of increasingly longer and lighter bridges, dynamic behavior becomes a limiting factor in the design of these structures. Therefore, it is important that structural vibration control systems are developed. Among the various materials currently used for vibration suppression are the shape memory alloys (SMA). These have been gaining popularity as a result of their ability to undergo large reversible deformations, coupled with their energy dissipating properties. In this context, the objective of this dissertation is to perform the passive vibration control of a cable-stayed bridge prototype, in small scale, using SMA Ni-Ti (Nitinol) superelastic springs. Dynamic analyses were performed using analytical, numerical and experimental tools. In the experimental results, a reduction of 75% of force transmissibility in free vibration was obtained, compared to the structure with equivalent steel springs. In forced vibration, the value of reduction of force transmissibility reached a maximum of 85.5%. The numerical results showed good coherence in the determination of the modal parameters of the structure and the response of the latter in free vibration, with the largest error associated to the second mode of vibration of the structure, in forced vibration. It was concluded that the SMA springs have the capacity to dissipate vibrational energy, for the application in bridges structures, and the numerical models allow a good prediction of the structure response.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2017-06-05T13:40:29Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5062577 bytes, checksum: 50662b1886cf46d934e60415729f24cd (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-05T13:40:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 5062577 bytes, checksum: 50662b1886cf46d934e60415729f24cd (MD5) Previous issue date: 2016-01-29 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Most rotating machines, especially those mounted on flexible shafts and bearings when it’s accelerating, tend to pass through critical speeds, which are speeds that can cause structural resonance in the system. Thus, there is a constant concern for seeking effective methods to reduce the effect of vibration when passing through such speeds. Currently there are many applications of "smart materials" as actuators in dynamical systems, in order to reduce vibrations in a frequency range next to the resonance zone. In this direction the use of actuators composed by shape memory alloys (SMA) assists in active control structures, due the capacity of stiffness variation with change of the temperature. This thesis presents a shaft-rotor system design with active bearing, using SMA springs and temperature control system based on fuzzy logic, to reduce the vibration amplitudes when passing through critical speeds. This reduction occurred from the system stiffness change (active support bearing), obtained by changing the temperature of the SMA springs. The theoretical and experimental results showed the system functionality, being achieved reductions of up to 61.5% in the peak amplitudes and 57.3% in terms of RMS signal during the passage through resonance zone. / A maioria das máquinas rotativas, sobretudo aquelas montadas sobre eixos e mancais flexíveis, quando de seu início de funcionamento, tendem a passar por velocidades ditas críticas, ou seja, velocidades que podem levar o sistema a entrar em ressonância estrutural. Assim, existe uma preocupação constante pela busca de métodos eficazes de atenuar o efeito da vibração quando da passagem por tais velocidades. Atualmente vêm-se estudando aplicações de “materiais inteligentes” como atuadores em sistemas dinâmicos, com o propósito de reduzir as vibrações numa faixa de frequência relacionada à região de ressonância. Nesta direção está o uso de atuadores compostos por ligas com memória de forma (LMF), que auxiliam no controle ativo de estruturas, devido à sua capacidade de variação de rigidez em função da mudança de temperatura. Apresenta-se, nesta tese, uma concepção de sistema eixo-rotor com mancal ativo, fazendo uso de molas LMF e sistema de controle de temperatura baseado na lógica fuzzy, visando reduzir as amplitudes de vibração quando da passagem por velocidades críticas. Tal redução ocorreu a partir da mudança de rigidez do sistema (mancal de suporte ativo), obtido pela mudança da temperatura das molas. Os resultados teóricos e experimentais do funcionamento do sistema mostraram a sua funcionalidade, sendo obtidas reduções de até 61,5% nas amplitudes de pico e de 57,3% em termos de RMS do sinal, durante a passagem pelas regiões de ressonância.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Dynamic Vibration Absorbers (DVAs) have been used to attenuate vibrations in various types of mechanical systems. In its simplest form, a DVA is formed by an association of passive elements (inertia, stiffness and damping). The values of these parameters are selected so as to tune the DVA to a given value of the excitation frequency, assumed to be fixed. As a result, the attenuation capability of a passive DVA significantly decreases as the excitation frequency deviates from the nominal tuning frequency. To avoid this drawback, active and adaptive DVAs have been extensively studied lately, in an attempt to achieve larger effective bandwidths and self tunning capability. Active DVAs contain, besides the passive elements, an actuator, which applies a control force determined by an appropriate control law. Adaptive DVAs are understood as those constructed in such a way that the values of their physical parameters can be adjusted according to well-defined laws. In this work, some configurations of active and adaptive DVAs are assessed, namely: a) an active DVA using as feedback signal the timedelayed displacement response of the reactive mass (delayed resonator); b) a novel active DVA using a control law in which the control force is expressed as a linear combination of the displacement, velocity and acceleration of the reactive mass, relative to the primary mass; c) an active DVA exploring linear quadratic optimal control theory; d) a vibrating string-type adaptive DVA; e) a pendulum-type adaptive DVA; f) an adaptive DVA formed from a beam with piezoelectric patches. For each configuration the theoretical foundations are first developed. Then, numerical applications are presented to assess their main features and performance. / Os Absorvedores Dinâmicos de Vibrações (ADVs) vêm sendo largamente utilizados para a atenuação de vibrações estruturais, com aplicações nas engenharias mecânica, civil, naval e aeroespacial. Os ADVs mais comumente usados são os passivos, compostos por elementos de parâmetros concentrados de inércia, rigidez e amortecimento. Classicamente, os ADVs passivos são projetados de forma que sua freqüência natural seja sintonizada para a freqüência de excitação, admitida fixa. Entretanto, a banda de operação dos ADVs passivos é relativamente estreita, o que inviabiliza a sua aplicação para casos em que a freqüência de excitação passa a variar. Como forma de contornar esta limitação, recentemente foram desenvolvidas as concepções de ADVs ativos e adaptativos, que têm capacidade de sintonização em bandas freqüenciais mais largas. Os ADVs ativos são aqueles em que um atuador, colocado paralelamente aos elementos passivos do ADV, exerce uma força de controle que permite modificar sua sintonização. Por ADVs adaptativos entendem-se aqueles cujos parâmetros físicos de inércia, rigidez e amortecimento podem ser variados, de forma controlada proporcionando a sintonização desejada. Neste trabalho são estudadas três configurações de ADVs ativos e outras três de ADVs adaptativos. São elas: a) o ADV ativo com realimentação do sinal de deslocamento da massa do ADV, defasado no tempo (ressonador defasado); b) uma nova configuração proposta de ADV ativo com realimentação dos sinais de deslocamento, velocidade e aceleração relativos; c) o ADV ativo com controle ótimo; d) o ADV adaptativo tipo corda vibrante; e) o ADV adaptativo pendular; f) o ADV adaptativo tipo viga com atuadores piezelétricos. Neste estudo se incluem o desenvolvimento teórico e as simulações numéricas no domínio da freqüência e do tempo, realizadas com o objetivo de avaliar as características operacionais e o desempenho das configurações estudadas. / Mestre em Engenharia Mecânica

A presente dissertação trata do estudo de um absorvedor dinâmico de vibrações (ADV) sintonizável por meio da geração voluntária de tensões induzidas por campos de temperatura aplicados a estruturas do tipo placas finas, explorando o efeito conhecido por enrijecimento por tensões (stress stiffening). Após apresentação da teoria subjacente aos absorvedores dinâmicos de vibrações e à modelagem numérica do comportamento dinâmico de placas sob a ação de tensões de origem térmica, foram realizadas simulações numéricas baseadas em discretização por elementos finitos visando à caracterização do comportamento dinâmico de placas retangulares sujeitas a diferentes tipos de carregamento térmico e condições de contorno mecânicas. Para este efeito, foi desenvolvido um procedimento de modelagem multifísica utilizando um programa comercial de análise por elementos finitos que permite considerar formas arbitrárias de carregamento térmico e condições de contorno térmicas e mecânicas. Os resultados destas simulações comprovaram que variações substanciais dos valores das frequências naturais de vibração podem resultar das tensões induzidas por campos térmicos. Com base nestes resultados, foi projetado um ADV consistindo de uma placa metálica fina circular confinada em sua borda externa por dois anéis metálicos, de sorte que a frequência natural correspondente ao primeiro modo de flexão axissimétrico possa ser ajustada pela diferença entre as temperaturas impostas à placa e aos anéis. Diversas simulações numéricas baseadas em elementos finitos foram realizadas visando à otimização da geometria e previsão do desempenho do ADV. Um protótipo do absorvedor dinâmico foi construído, dispondo de aquecedores resistivos de película para aquecimento independente e controlado de seus componentes. Diversos ensaios dinâmicos foram realizados com o protótipo visando à caracterização de seu comportamento sem e com efeitos térmicos. Os resultados experimentais confirmaram a influência significativa das tensões térmicas sobre o comportamento dinâmico do ADV e a possibilidade de obter sua sintonização. / The present work is devoted to the study of a dynamic vibration absorber (DVA) that can be tuned by the voluntary introduction of stress induced by temperature distributions in plate-like structures, based on the effect known as stress-stiffening. After summarizing the underlying theory of dynamic vibration absorbers and modeling the dynamic behavior of thin plates in the presence of thermally-induced stresses, numerical simulations based on finite element discretization have been made to characterize the dynamic behavior of rectangular plates under different thermal loads and mechanical boundary conditions. For this purpose, a general multiphysic modeling procedure based on a finite element commercial code has been developed, enabling to considerer all the possible forms of thermal load and thermal and mechanical boundary conditions. The results of these simulations have shown that significant variations of the natural frequencies can result from the induction of thermal stresses. Based on these results, a DVA has been designed, consisting of a thin circular metallic plate constrained at its outer border by thick metallic rings, in such a way that the natural frequency associated to the first axissymmetric bending mode can be adjusted according to the difference between the temperatures of the plate and the rings. A number of numerical simulations based on finite elements have been made aiming at optimizing the geometry and predicting the performance of the DVA. A prototype of the absorber has been built, having foil resistive heaters for the controlled application of heat to the plate and the rings. Dynamic tests have been carried-out on the prototype for the characterization of its dynamic behavior with and without thermal effects. The experimental results confirmed the significant influence of the thermal stresses on the natural frequencies of the DVA and the possibility of achieving frequency tuning. / Dissertação (Mestrado)

Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

Esta dissertação apresenta uma análise numérica do controle de vibrações estruturais através de cerâmicas piezoelétricas em extensão e em cisalhamento conectadas a circuitos ativo-passivos compostos por resistência, indutância e fonte de tensão. Para tal, um modelo de elementos finitos de vigas sanduíche com três camadas elásticas e/ou piezoelétricas foi desenvolvido. Realizou-se também uma modelagem dos componentes do circuito elétrico e seu acoplamento à estrutura gerando assim uma equação de movimento acoplada para a estrutura com elementos piezoelétricos conectados aos circuitos elétricos. Uma análise harmônica das equações obtidas foi realizada para se obter uma avaliação preliminar dos efeitos causados pelos componentes elétricos do circuito na estrutura. Observou-se que os elementos passivos do circuito, resistência e indutância, tem não somente um efeito de absorvedor dinâmico de vibrações mas, também, promovem uma amplificação da autoridade de controle no caso de se atuar através da fonte de tensão. Usando a metodologia tradicional de projeto de absorvedores dinâmicos de vibrações, derivou-se expressões para os valores de resistência e indutância de modo a maximizar o desempenho passivo do sistema. Uma análise numérica do desempenho na redução das amplitudes de vibração em um viga engastada-livre com uma cerâmica piezoelétrica em extensão ou cisalhamento foi realizada mostrando bons resultados. Em seguida, uma análise da autoridade de controle para estas estruturas foi realizada visando a implementação de um controle híbrido ativo-passivo. A parcela ativa do controle foi obtida usando-se uma estratégia de controle por retroalimentação ótima do tipo linear quadratic regulator para calcular a tensão aplicada ao circuito. Uma comparação entre os resultados mostra que o controle híbrido ativo-passivo é sempre superior aos controles puramente ativos ou passivo para os dois casos estudados, com cerâmicas piezoelétricas em extensão e cisalhamento. / This work presents a numerical analysis of the structural vibration control using piezoelectric materials in extension and shear mode connected to active-passive electric circuits composed of the resistance, inductance and voltage source. For that, a finite element model for sandwich beams with three elastic or piezoelectric layers was developed. A modeling of the electric circuit dynamics and its coupling to the structure with piezoelectric elements was also done. A harmonic analysis of the resulting equations was performed to yield a preliminary evaluation of the effects caused by the electric circuit components on the structure. It was observed that the passive circuit components not only lead to a dynamic vibration absorber effect but also to an amplification of the control authority in case of actuation using the voltage source. Using the standard methodology for the design of dynamic vibration absorbers, expressions were derived for the resistance and inductance values that optimize the passive vibration control performance of the system. A numerical analysis of the passive vibration control was performed for cantilever beams with extension and shear piezoelectric ceramics showing satisfactory results. Then, an analysis of the control authority was carried out for the same structures aiming at an active-passive vibration control. The active control was achieved using a linear quadratic regulator optimal feedback strategy to evaluate the voltage applied to the circuit. A comparison between the obtained results show that hybrid active-passive control is always superior to the purely active or purely passive control for both cases studied, with extension and shear piezoelectric ceramics.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-02-24T14:44:47Z No. of bitstreams: 1 marceloribeiro.pdf: 3015247 bytes, checksum: 325fa8dffab659edce18dc9c5f1f485c (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-02-24T15:39:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marceloribeiro.pdf: 3015247 bytes, checksum: 325fa8dffab659edce18dc9c5f1f485c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-24T15:39:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marceloribeiro.pdf: 3015247 bytes, checksum: 325fa8dffab659edce18dc9c5f1f485c (MD5) Previous issue date: 2013-04-01 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A construção de edifícios, especialmente os mais esbeltos, requer uma análise apurada do comportamento dinâmico da estrutura. Tais estruturas são sujeitas a movimentos induzidos pelo vento, entre outras forças, o que pode causar efeitos indesejáveis tais como desconforto para os usuários ou até mesmo causar o colapso estrutural. Neste cenário, os sistemas de controle são utilizados a fim de atenuar a vibração excessiva. Dentre estes sistemas, aqueles que utilizam respostas dinâmicas das estruturas para a determinação das forças de controle, de um modo geral, quando adequadamente construídos, têm um desempenho satisfatório. Pode-se destacar o sistema de controle com retroalimentação. No entanto, o uso desses controladores em edifícios requer uma certa quantidade de testes e simulações, uma vez que os problemas em qualquer fase do processo de controle pode transformar um controlador ativo em um excitador, o que obviamente não é desejável. Neste trabalho foi realizada uma análise numérica de um modelo de sistema estrutural sujeito a forças dinâmicas de vento, onde as vibrações foram controladas por meio de um sistema de controle ativo. As forças de excitação foram obtidas por análise da fluidodinâmica computacional e as forças de controle foram obtidas aplicando a técnica de controle ótimo. Esta etapa constitui uma das primeiras fases do projeto de um controle. / The construction of buildings, especially the most slender, requires a detailed analysis of the structural dynamic behavior. Such structures are subject to movements induced by the wind and other forces, which can cause undesirable effects such as discomfort for the user or even cause the structural collapse. In this scenario, control systems are used to mitigate excessive vibration. Among these systems, those using dynamic responses of the structures to determine control forces, in general, when properly constructed, have satisfactory performance as control systems with feedback. However, the use of these controllers in buildings requires a certain amount of tests and simulations, since problems at any stage of the control process, may transform an active controller into an excitator, which is obviously undesirable. In this work a numerical analysis of a structural model subject to dynamic wind forces was performed. The excitation forces were obtained by computational uid dynamics analysis and control forces were obtained by applying the technique of optimal control. The present analysis is one of the first phases of a control design.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.

Esta tese apresenta uma análise numérica do controle de vibrações estruturais através de cerâmicas piezelétricas em extensão conectadas a circuitos ativo-passivos compostos por resistência, indutância e fonte de tensão. Para tal, um modelo de elementos finitos de vigas sanduíche com três camadas elásticas e/ou piezelétricas foi desenvolvido. Realizou-se também uma modelagem dos componentes do circuito elétrico e seu acoplamento à estrutura gerando assim uma equação de movimento acoplada para a estrutura com elementos piezelétricos conectados aos circuitos elétricos. Uma análise harmônica das equações obtidas foi realizada para se obter uma avaliação preliminar dos efeitos causados pelos componentes elétricos do circuito na estrutura. Observou-se que os elementos passivos do circuito, resistência e indutância, tem não somente um efeito de absorvedor dinâmico de vibrações mas, também, promovem uma amplificação da autoridade de controle no caso de se atuar através da fonte de tensão. Usando a metodologia tradicional de projeto de absorvedores dinâmicos de vibrações, derivou-se expressões para os valores de resistência e indutância de modo a maximizar o desempenho passivo do sistema. Uma análise do efeito de incertezas das constantes piezelétricas e dielétricas da cerâmica piezelétrica considerada e dos componentes de resistência e indutância do circuito elétrico no desempenho do controle passivo e ativo-passivo de estrutura tipo viga cantilever foi realizada. O objetivo desta análise foi quantificar robustez e sensibilidade do controle proposto. Em sequida, um estudo de otimização dos valores de resistência e indutância do circuito elétrico em função da tensão elétrica de controle máxima a ser aplicada em uma placa com diversos atuadores piezelétricos foi realizado. Finalmente e também para a estrutura tipo placa, uma análise de incertezas da rigidez da cola na interface entre estrutura e atuadores piezelétricos e seus efeitos no desempenho do controle passivo e ativo-passivo foi realizada. / This work presents a numerical analysis of the structural vibration control using piezoelectric materials in extension mode connected to active-passive electric circuits composed of resistance, inductance and voltage source. For that, a finite element model for sandwich beams with three elastic or piezoelectric layers was developed. A modeling of the electric circuit dynamics and its coupling to the structure with piezoelectric elements was also done. A harmonic analysis of the resulting equations was performed to yield a preliminary evaluation of the effects caused by the electric circuit components on the structure. It was observed that the passive circuit components not only lead to a dynamic vibration absorber effect but also to an amplification of the control authority in case of actuation using the voltage source. Using the standard methodology for the design of dynamic vibration absorbers, expressions were derived for the resistance and inductance values that optimize the passive vibration control performance of the system. An analysis of the effect of uncertainties of piezoelectric and dielectric constants of piezoelectric ceramic and resistance and inductance components of the shunt circuit on the passive and active-passive control performance for a cantilever beam structure was performed. The objective of this analysis was to quantify robustness and sensitivity of the proposed control. Then, an optimization study of the values of resistance and inductance of the shunt circuit as a function of the maximum control voltage to be applied on a plate with several piezoelectric actuators was performed. Finally and also for the plate structure, an analysis of uncertainties in the stiffness of the adhesive interface between structure and piezoelectric actuators and their effects on the performance of passive control and active-passive was performed.