Submitted by Kilvya Braga (kilvyabraga@hotmail.com) on 2018-04-26T14:31:48Z No. of bitstreams: 1 YURI JOSÉ OLIVEIRA MORAES - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 4856362 bytes, checksum: 1833eec6cc553ca6e2578b9a019e362b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T14:31:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 YURI JOSÉ OLIVEIRA MORAES - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 4856362 bytes, checksum: 1833eec6cc553ca6e2578b9a019e362b (MD5) Previous issue date: 2017-02-15 / Capes / As vibrações de natureza mecânica são fenômenos importantes do mundo físico. Geralmente, tais oscilações podem se tornar indesejáveis de tal forma a vir a causar danos temporários ou o próprio colapso de sistemas mecânicos e estruturais. Com o intuito de conter estes efeitos, tem-se pesquisado técnicas que venham a controlar e/ou minimizar as implicações deste fenômeno, que vão desde métodos de natureza passiva, até o uso de controladores com materiais inteligentes. Este estudo tem como objetivo, analisar um sistema de controle passivo de vibrações instalado em uma estrutura que simula um edifício de dois andares e dois graus de liberdade (2GDL). Este sistema é baseado na incorporação de duas configurações de minimolas superelásticas (LMF–NiTi–SE), para dissipação de energia e acréscimo de amortecimento estrutural. Uma análise modal e estrutural foi realizada para avaliar o comportamento do sistema, a partir de métodos analíticos, numéricos e experimentais. Em caráter experimental, as amplitudes de resposta da estrutura foram analisadas para solicitações do sistema em vibração livre, forçada e transiente (sísmica), em todas as configurações. Em comparação com a estrutura com molas de aço convencional, as análises das FRF’s em vibração forçada mostraram uma redução na transmissibilidade de até 51% para o primeiro modo de vibrar e 73% para o segundo modo na configuração de quatro minimolas individuais LMF, e estes valores aumentaram para 55% e 85% respectivamente, na configuração de oito minimolas duplas LMF. Quanto aos fatores de amortecimento, houve um aumento considerável da ordem de 119% no primeiro modo e de 109% no segundo modo de vibração, na configuração das minimolas individuais LMF. Na caracterização dinâmica determinaram-se a energia dissipada nas frequências naturais e amplitude de deformação, validando a análise e o método de controle passivo empregado. / Mechanical vibrations are important phenomena of the physical world. Generally, such oscillations may become undesirable in such a way as to cause temporary damage or the actual collapse of mechanical and structural systems. In order to contain these effects, we have researched techniques that will control and/or minimize the implications of this phenomenon, ranging from passive methods to the use of controllers with smart materials. This study aims to analyze a passive vibration control system installed in a structure that simulates a two floors building and two degrees of freedom (2DOF). This system is based on the incorporation of two superelastic mini coil springs configurations (SMA–NiTi–SE) for energy dissipation and increase of structural damping. A modal and structural analysis was performed to evaluate the behavior of the system, from analytical, numerical and experimental methods. On an experimental basis, the response amplitudes of the structure were analyzed for system requirements in free, forced and transient (seismic) vibration in all configurations. Compared with the conventional steel spring structure, the forced vibration FRF’s analysis showed a reduction in transmissibility of up to 51% for the first vibrating mode and 73% for the second mode in the four mini coil springs individual configuration SMA. And these values increased to 55% and 85% respectively, in the eight mini coil springs double configuration SMA. As for the damping factors, there was a considerable increase in the order of 119% in the first mode and 109% in the second mode of vibration, in the mini coil springs individual configuration SMA. In the dynamic characterization the energy dissipated in the natural frequencies and amplitude of deformation was determined, validating the analysis and the passive control method employed.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In the present work, a methodology for numerical simulation of self-heating phenomenon in viscoelastic materials has been developed, with the aim of proposing and validating finite element models that can be applied to predict the thermomechanical behaviour of structures including viscoelastic materials. The model takes into account the dependence of the mechanical characteristics of the viscoelastic material with respect to frequency and temperature and allows to obtain the transient temperature field. For this purpose, the heat source calculation is computed based on the dissipated energy obtained from the harmonic response calculation as the structure is submitted to cyclic loading. The validation of the model and the adjustment of two initially unknown parameters, namely the film coefficient for natural heat convection and the ratio of the heat source over the mechanical power dissipated through viscoelastic effects, were carried out by comparison of the model-predicted responses to experimental results counterparts, the latter being obtained by the application of a cyclic load to a sample specimen by means of a universal test machine, and measuring the temperatures within the viscoelastic material of the dispositive using thermocouples. A curve-fitting procedure was developed using an optimization routine, in order to identify optimal set of values of h and b. For each test, the experimental results were compared to those obtained from the numeric model after the identification, thus allowing the evaluation of the accuracy and limitations of the proposed model procedure. / Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de simulação numérica do fenômeno de auto-aquecimento, tendo como objetivo a realização e a validação de um modelo a ser aplicado à predição do comportamento termomecânico de estruturas incluindo materiais viscoelásticos. O modelo de elementos finitos proposto leva em conta a dependência das propriedades mecânicas do material viscoelástico com relação à frequência e temperatura, e permite a obtenção do campo de temperatura em regime transitório. O cálculo da fonte de calor é baseado na energia de dissipação viscoelástica obtida por meio da resposta em regime harmônico da estrutura submetida a um carregamento cíclico. A validação do modelo proposto e o ajuste de dois parâmetros inicialmente desconhecidos, a saber, o coeficiente de transferência de calor por convecção natural e a razão da fonte de calor pela energia decorrente da dissipação viscoelástica, foram efetuados via confrontação com resultados experimentais, estes sendo obtidos aplicando-se cargas cíclicas sobre um corpo de prova por meio de uma máquina universal de ensaios e registrando a temperatura no material viscoelástico do dispositivo com auxílio de termopares. Um procedimento de ajuste de curvas via uma rotina de otimização foi desenvolvido para a identifição dos parâmetros. Para cada ensaio, os resultados experimentais e os correspondentes obtidos com o modelo numérico após a identificação foram comparados, permitindo avaliar a precisão e as limitações do procedimento de modelagem proposto. / Mestre em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Engineering composite structures containing piezoelectric elements coupled with the so-named shunt circuits, with the aim of passive vibration attenuation, are characterized by inherent uncertainties in their parameters, which can affect significantly performance of the passive shunt circuit. In this context, this work presents the stochastic finite element modeling of a composite structure containing piezoelectric element to be coupled with a shunt circuit, in such a way, that uncertain parameters such as the fiber s orientation, layer thicknesses and the resistance and inductance in the shunt circuit are assumed as uncertain variables and, their corresponding dispersion, is characterized in the stochastic response by propagating the uncertainties into the model. First, the deterministic electromechanical problem is modeled by combining the First-Order Shear Deformation Theory and the concept of Equivalent Single Layer, in order to approximate the mechanical displacement fields, with the so-called Layerwise Theory used to model the discrete electric fields within the composite element. In the sequence, the shunt circuits coupled to the piezoelectric element are introduced in the model. The deterministic finite element modeling procedure was performed taking into the parameterization process of the design variables of interest to be further assumed as random variables in a straightforward way. In the present stochastic finite element modeling procedure, the uncertain variables are modeled as Gaussian stochastic homogeneous fields and discretized according to the Karhunen-Loève expansion method, with the aim of generating the exact stochastic matrices. The obtained results, in terms of the envelopes of the frequency response functions for a composite beam incorporating piezoelectric material coupled with a shunt circuit, demonstrate the interest in considering the uncertainties in the preliminary design phase of the shunt circuits to control the undesired vibrations. / Estruturas compósitas em engenharia contendo elementos piezelétricos acoplados a circuitos elétricos shunt, para fins de atenuação passiva dos níveis de vibração, apresentam incertezas inerentes em seus parâmetros de projeto, as quais, podem afetar significativamente a eficiência dos circuitos elétricos passivos. Neste contexto, este trabalho apresenta a modelagem por elementos finitos estocásticos de uma estrutura em material compósito laminado contendo elemento piezelétrico acoplado a circuitos elétricos shunt, de modo que, parâmetros incertos, como direções das fibras, espessuras das camadas e a resistência e indutância do circuito shunt, são assumidos como sendo variáveis aleatórias e, a dispersão destas variáveis, é caracterizada nas respostas estocásticas obtidas após a propagação das incertezas no modelo. Desta forma, realiza-se em um primeiro momento a modelagem do problema eletromecânico determinístico. Para tal, há combinação das teorias de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem e da Camada Equivalente Única para aproximação dos campos de deslocamentos mecânicos, com a Teoria Layerwise, que utiliza o conceito de Camadas Equivalentes Discretas na consideração dos campos elétricos, os quais, são assumidos discretos ao longo da espessura da estrutura do laminado. Na sequência, faz-se a inclusão dos circuitos elétricos shunt no modelo eletromecânico. A modelagem determinística é realizada de forma parametrizada para que se possa realizar a introdução a posteriori das incertezas no modelo de forma mais eficiente. Utilizando-se do Método dos Elementos Finitos Estocásticos, os parâmetros fatorados das matrizes e os elementos do circuito são considerados como variáveis aleatórias e modelados como campos homogêneos estocásticos gaussianos. Estes campos são então discretizados de acordo com o método de expansão em série de Karhunen-Loève, onde são geradas as matrizes estocásticas exatas do sistema eletromecânico via modificação do processo de integração pelas funções de covariância. Os resultados obtidos, em termos dos envelopes das respostas em frequência para uma viga compósita contendo um elemento piezelétrico acoplado ao circuito shunt, evidenciam a importância de se considerar as incertezas durante as fases de concepção inicial e/ou pré-projeto de sistemas dinâmicos incorporando circuitos shunt para o controle passivo de vibrações. / Mestre em Engenharia Mecânica

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Esta Dissertação versa sobre a análise de confiabilidade de estruturas sujeitas a controle ativo e passivo de vibrações, com ênfase na aplicação dos métodos de confiabilidade de primeira ordem (FORM, First Order Reliability Method) e segunda ordem (SORM, Second Order Reliability Method). Esses são usados para calcular o índice de confiabilidade e, consequentemente, a probabilidade de falha de estruturas, considerando variáveis aleatórias modeladas segundo funções densidade de probabilidade. Três técnicas de controle são avaliadas: controle ativo empregando atuadores piezelétricos; controle passivo por absorvedores dinâmicos de vibrações e controle passivo baseado em atuadores piezelétricos conectados a circuitos shunt ressonantes. Para cada caso, são definidas funções de estado limite que descrevem limites operacionais e/ou requisitos de projeto, cuja avaliação é baseada em respostas obtidas por meio de modelos de elementos finitos das estruturas analisadas. Para cada uma das técnicas de controle, aplicações numéricas dos métodos FORM e SORM são realizadas considerando como estrutura principal uma treliça plana. Para efeito de avaliação da precisão das estimações de confiabilidade fornecidas por estes métodos, foram também utilizadas Simulações de Monte Carlo. A partir dos resultados, são discutidas as características específicas observadas para cada técnica de controle. Em específico, para duas delas foram identificados domínios de segurança e de falha de formas atípicas, em cujos casos, fica inviabilizado o uso dos métodos FORM e SORM. De modo geral, os resultados confirmam a importância e a conveniência de se aplicarem os métodos de análise de confiabilidade a estruturas sujeitas a procedimentos de controle de vibrações. / This dissertation is devoted to the reliability analysis of structures subjected to active and passive vibration control, with emphasis on the use of First Order Reliability Method (FORM) and Second Order Reliability Method (SORM). These methods are used to evaluate the reliability indices and the associated failure probability, considering that the random variables are modeled by probability density functions. Three techniques of vibration control are considered, namely: active control using PZT stack actuators, passive control based on dynamic vibration absorbers, and passive control based on piezoelectric transducers connected to resonant shunt circuits. For each technique, limit state functions are defined related to the operational limitations or design requirements. Their evaluation is made from structural responses obtained from finite element models. For each control technique, numerical applications of FORM and SORM are carried-out for a two-dimensional truss, defined as the structure of interest. To assess the accuracy of the reliability estimations provided by those methods, Monte Carlo Simulations are also performed. The numerical results enable to put in evidence specific characteristics of each control technique as related to reliability. Specifically, for two of them it is verified the occurrence of atypical geometrical forms of the safety and failure domains, which preclude the use of FORM and SORM. In general, the results confirm the importance and convenience of performing reliability assessment of structures subjected to vibration control procedures. / Dissertação (Mestrado)