O escopo do trabalho é a modelagem de um coxim elastomérico de motor, elemento que possui papel fundamental no isolamento vibracional do conjunto motor e transmissão. O estudo do comportamento mecânico de materiais elastoméricos é um campo que é desenvolvido a muitos anos devida complexidade e não-linearidade desses componentes; e modelos matemáticos fiéis são diferenciais competitivos. Assim essa dissertação tem como objetivo principal propor a modelagem de um coxim de motor elastomérico utilizando a técnica de redes neurais para generalizar a função de transferência entre o deslocamento do coxim e a aceleração vertical de motor. Duas abordagens de treinamento - dados experimentais coletados em bancada hidráulica uniaxial e dados experimentais coletados em campo - são apresentadas com o intuito de identificar a condição que a rede neural apresenta melhor performance de generalização. Para tal comparação uma métrica baseada em área da densidade espectral de potência é apresentada para quantificar o desempenho do modelo na faixa de frequência estudada (0-40 Hz). Finalmente é realizada uma comparação com um modelo mecânico composto por molas e amortecedores combinados. Os resultados demonstram que tanto o treinamento realizado com dados de bancada quanto o modelo mecânico apresentam boa correlação de 0 Hz a 14 Hz enquanto o treinamento realizado com dados de campo tem boa correlação de 0 Hz a 14 Hz e de 23 Hz a 40 Hz uma vez que essa abordagem tem capacidade de capturar a histerese e parte da não linearidade da borracha. É demonstrado que na faixa de frequência na qual todos modelos não foram capazes de generalizar existe modo de vibrar onde um nó no coxim estudado que dificulta a modelagem. Conclui-se que a técnica de redes neurais possui grande potencial em sua utilização, apresentando resultados bastante satisfatórios, além de outras vantagens, como a velocidade de processamento da rede treinada. / This dissertation scope is the modeling of an elastomeric mount, element which has primordial role on powertrain vibration isolation. The study of the mechanic behavior of those elastomeric materials is a field being studied for several years agor since its complexity and non-linarity of those components; and a reliable math models are competitive edge. So this dissertation has as main object purpose the modeling of an elastomeric engine mount using neural networks technician to predict the transfer function between the mount displacement and engine vertical accelerationTwo training approachs experimental data gathered in a uniaxial hydraulic bench and experimental data gathered in field are presented with the objective of identify the condition which the neural network presents better prediction performance. So this comparison being made a metric based on power density spectral area is presented to quantify the performance on the frequency range studied (0-40 Hz). Finally a comparison is made with a mechanical model composed per springs and dumpers combined. The results show that even the training made with the bench data and the mechnical model present good correlation from 0 Hz to 14 Hz while the training made with field data has good correlation from 0 Hz to 14 Hz and 23 Hz to 40 Hz once this approach has the ability to capture the hysteresis and part of rubber non-linearity. It is demonstrated that the frequency range where all the models are not capable to predict, there is a vibration mode where there is a node on the studied mount which dificults the modeling. The conclusion is that the neural network technique has great potential on its usage, presenting very satisfactory results, among other vantages as the processing speed after the network is trained.

A aplicação do método de elementos finitos como ferramenta de análise vem crescendo na indústria ao longo dos anos, sendo que uma das áreas em desenvolvimento corresponde ao estudo de impacto e avaliação de resistência ao choque. O objetivo deste trabalho é avaliar a eficiência da defensa metálica maleável simples utilizada nas rodovias do Brasil, no que diz respeito à capacidade de conter um veículo desgovernado de 2000 quilogramas a 100 quilômetros por hora, através da simulação numérica pelo método dos elementos finitos. Para possibilitar a execução das análises, são realizados ensaios experimentais de corpos de prova retirados de um dos componentes da defensa metálica para a caracterização do material. Além disso, são desenvolvidas simplificações no modelo para permitir a realização de análises com baixo custo computacional. A partir do modelo elaborado, são avaliados os comportamentos de impacto na defensa metálica maleável simples em diversas condições de instalação encontradas em vias brasileiras com grande volume de veículos, incluindo-se condições inadequadas. As avaliações indicam que a defensa é incapaz de reter o veículo, ocorrendo o rompimento dos parafusos que unem as lâminas. As defensas em condições irregulares de manutenção apresentam resultados mais catastróficos, colocando mais risco aos ocupantes e pedestres. Por fim, é recomendada a elevação da classe do parafuso para 5.8, permitindo que a defensa retenha o veículo do teste 3-11 do NCHRP Report 350. / The application of Finite Element Method as an analysis tool in industry has been increasing over the years, so that one of the development areas corresponds to the study of impact and crashworthiness. The objective of this work is to assess the efficiency of a guardrail model used on Brazilian roads, with respect to the ability of containing a runaway vehicle of 2 ton at 100 miles per hour, through numerical simulation using finite element analysis. Experimental tests of samples taken from a component of the guardrail are performed to enable material characterization for the analysis. Furthermore, model simplifications are developed to permit the analysis with low computational cost. The impact behaviors are evaluated in various guardrail installation conditions found on high movement roads, including some inadequate ones. The analysis show that the guardrail is unable to retain the vehicle, shearing the W-beam splice bolts. The irregular maintenance condition guardrails present more catastrophic results, endangering even more the occupants and the pedestrians. Finally, it is recommended that the bolts are upgraded to 5.8, enabling the vehicle retention under test 3-11 of NCHRP Report 350.

O escopo do trabalho é a modelagem de um coxim elastomérico de motor, elemento que possui papel fundamental no isolamento vibracional do conjunto motor e transmissão. O estudo do comportamento mecânico de materiais elastoméricos é um campo que é desenvolvido a muitos anos devida complexidade e não-linearidade desses componentes; e modelos matemáticos fiéis são diferenciais competitivos. Assim essa dissertação tem como objetivo principal propor a modelagem de um coxim de motor elastomérico utilizando a técnica de redes neurais para generalizar a função de transferência entre o deslocamento do coxim e a aceleração vertical de motor. Duas abordagens de treinamento - dados experimentais coletados em bancada hidráulica uniaxial e dados experimentais coletados em campo - são apresentadas com o intuito de identificar a condição que a rede neural apresenta melhor performance de generalização. Para tal comparação uma métrica baseada em área da densidade espectral de potência é apresentada para quantificar o desempenho do modelo na faixa de frequência estudada (0-40 Hz). Finalmente é realizada uma comparação com um modelo mecânico composto por molas e amortecedores combinados. Os resultados demonstram que tanto o treinamento realizado com dados de bancada quanto o modelo mecânico apresentam boa correlação de 0 Hz a 14 Hz enquanto o treinamento realizado com dados de campo tem boa correlação de 0 Hz a 14 Hz e de 23 Hz a 40 Hz uma vez que essa abordagem tem capacidade de capturar a histerese e parte da não linearidade da borracha. É demonstrado que na faixa de frequência na qual todos modelos não foram capazes de generalizar existe modo de vibrar onde um nó no coxim estudado que dificulta a modelagem. Conclui-se que a técnica de redes neurais possui grande potencial em sua utilização, apresentando resultados bastante satisfatórios, além de outras vantagens, como a velocidade de processamento da rede treinada. / This dissertation scope is the modeling of an elastomeric mount, element which has primordial role on powertrain vibration isolation. The study of the mechanic behavior of those elastomeric materials is a field being studied for several years agor since its complexity and non-linarity of those components; and a reliable math models are competitive edge. So this dissertation has as main object purpose the modeling of an elastomeric engine mount using neural networks technician to predict the transfer function between the mount displacement and engine vertical accelerationTwo training approachs experimental data gathered in a uniaxial hydraulic bench and experimental data gathered in field are presented with the objective of identify the condition which the neural network presents better prediction performance. So this comparison being made a metric based on power density spectral area is presented to quantify the performance on the frequency range studied (0-40 Hz). Finally a comparison is made with a mechanical model composed per springs and dumpers combined. The results show that even the training made with the bench data and the mechnical model present good correlation from 0 Hz to 14 Hz while the training made with field data has good correlation from 0 Hz to 14 Hz and 23 Hz to 40 Hz once this approach has the ability to capture the hysteresis and part of rubber non-linearity. It is demonstrated that the frequency range where all the models are not capable to predict, there is a vibration mode where there is a node on the studied mount which dificults the modeling. The conclusion is that the neural network technique has great potential on its usage, presenting very satisfactory results, among other vantages as the processing speed after the network is trained.

O objetivo deste trabalho é estudar a influência da rigidez do quadro na dirigibilidade de um veículo de competição fórmula SAE (protótipo E2-M, da equipe EESC-USP) em ambiente multicorpos com o software Adams/Car. Um modelo contendo os subsistemas de suspensão, direção, pneumático, powertrain, barra estabilizadora e quadro foi construído em ambiente multicorpos com componentes modelados como corpos rígidos. Posteriormente foram elaborados três modelos de quadros flexíveis com diferentes valores de rigidez torcional para substituir o quadro rígido. Estes foram obtidos através da análise modal com o auxílio do método dos elementos finitos. Para comparação da dinâmica lateral dos modelos, típicas manobras do estudo de dirigibilidade foram consideradas tais como rampsteer, step-steer e single lane change. Os resultados obtidos foram de aceleração lateral e velocidade de guinada. Pelas condições avaliadas, pode-se concluir que a rigidez torcional de um quadro para o protótipo E2-M pode estar entre 700 e 1500 N.m/o. Essa variação de rigidez representou 5 kg de massa no quadro. Porém deve-se fazer uma avaliação modal com a massa suspensa calibrada para verificar se não existe acoplamento de modos e freqüências com outros subsistemas. / This dissertation is intended to study the influence of frame stiffness in handling of a Formula SAE vehicle (E2-M prototype from EESC-USP Formula SAE team) in multibody with Adams/Car software. A model containing the subsystems of suspension, steering, tires, powertrain, frame and stabilizing bar was built considering rigid bodies. Subsequently, three models of flexible frames were developed with different values of torsional stiffness to replace the rigid frame. They were obtained through modal analysis with the aid of finite element method. For the handling investigation, maneuvers such as ramp-steer, step-steer and single lane change were considered. The results evaluated were lateral acceleration and yaw velocity. According to results, the torsional stiffness for the E2-M prototype can be between 700 and 1500 Nm/o. But an eigenvalue analyses is also necessary to verify if there is no coupling of modes of the calibrated sprung mass with other subsystems.

O trabalho tem por objetivo desenvolver um veículo com massa inferior a 500 kg e que atenda aos requisitos estruturais e biomecânicos conforme regulamentações das Nações Unidas referentes a segurança dos ocupantes, para tal serão aplicadas metodologias de otimização usando metamodelos, que são modelos substitutos aos modelos em elementos finitos. O trabalho apresenta o desenvolvimento de um veículo completo para dois ocupantes, o mesmo é conceitual pois é mais curto e estreito se comparado a um veículo convencional, propiciando a redução do espaço ocupado em centros urbanos. Por meio de simulação numérica computacional será avaliada a capacidade da estrutura em proteger os ocupantes, bem como serão utilizados manequins virtuais para obter as respostas do corpo humano aos diferentes eventos de colisão veicular. São apresentadas técnicas para criação dos metamodelos e definida a melhor aproximação que foi aplicada no processo otimização da estrutura do veículo, objetivando atingir a menor massa possível. Além disto, o veículo precisa cumprir aos requisitos de proteção dos ocupantes em casos de impacto frontal, lateral e traseiro. Também serão avaliadas as respostas biomecânicas dos ocupantes, respostas do corpo humano a forças internas e externas, em impactos veiculares não regulamentados pelas Nações Unidas, mas são procedimentos de teste empregados para avaliar e comparar os resultados entre diferentes veículos. O estudo é inovador pois na formulação dos problemas de otimização são utilizadas funções objetivo e restrições tanto estruturais quanto biomecânicas. O veículo projetado servirá de base para o desenvolvimento de futuros estudos em diferentes áreas e disciplinas da Universidade, podendo ser utilizado na definição, aplicação e validação de novos conceitos. Finalmente, por meio da otimização numérica computacional baseada em metamodelos, demonstra-se que o veículo pode ser melhorado, satisfazendo os requisitos estabelecido e promovendo redução no tempo e no custo de desenvolvimento de um novo veículo. / The work aims to develop a vehicle with mass less than 500 kg and it meets the structural and biomechanical requirements according to the United Nations regulations regarding the occupant protection. To achieve these goals will be applied optimization processes based on metamodels that are surrogate models for finite elements models. The work presents the development of a conceptual full vehicle for two occupants, it is shorter and narrower compared to a conventional vehicle, allowing the reduction of occupied space in urban centers. Through computational numerical simulation will evaluate the ability of the structure to protect the occupants and will be used virtual mannequins to assess the human body responses to different types of vehicular collisions. Techniques to create metamodels will be presented and setting the best approximation that was applied to the optimization process of the vehicle structure with the objective to obtain the lowest possible mass. Furthermore, the vehicle must meet the occupants\' protection requirements in events of frontal, lateral and rear impact. Also, it will be evaluated the occupants\' biomechanical responses in case of vehicular impacts not regulated by United Nations. However, these test procedures are applied to assess and comparing results among different vehicles. The study herein developed presents significant contributions since in the optimization problems are used both structural and biomechanical responses as objective and constraint functions. The vehicle designed will be a basis for the development of future studies in different areas and disciplines of the University. It will be used in the definition, implementation and validation of new concepts. Finally, it is shown that the application of numerical optimization based on metamodels is an effective process to improve the vehicle performance by meeting the requirements and promoting a reduction in time and cost of developing.

O tema do conforto na automobilística é bastante extenso e possuidor de muitas interpretações. A ideia central deste trabalho é definir e direcionar alguns métricos para que, durante as fases de conceituação e desenvolvimento de um veículo, seja possível ter um direcional de definição de componentes e atributos veiculares de modo a facilitar o direcionamento dos atributos no programa veicular, e assim atingir suas necessidades. Como exemplo empregado, é empregado um veículo de plataforma tipo B em desenvolvimento por uma montadora, o qual teve as molas de suspensão definidas e rigidezes laterais de eixos com base em material técnico interno equivalente aos estudos apresentados neste trabalho. É adotada uma abordagem inicialmente empírica conforme os primeiros estudos de suspensões independentes realizados neste continente, depois o trabalho é complementado com exigências de normas especificas para vibrações (ISO2361, ISO5008, BS6055) de modo a caracterizar energia vibracional e a interpretação pelo ser humano. Porém como hoje em dia as suspensões automotivas são muito mais complexas, existem componentes específicos para as várias condições de solicitação, deste modo a análise é limitada a situações de ride (conforto) primário e handling (dirigibilidade) em situações de sublimite na faixa linear (cerca de 0,5 g). Como conclusão dos estudos, é possível ter em um veículo atributos de estabilidade sem necessariamente prejudicar o conforto, pois sendo definidos corretamente os componentes elásticos da dinâmica vertical para situações estacionárias e de ride primário, é definido seu equilíbrio estacionário e assim não é necessário comprometimento dos atributos de outros componentes para compensar alguma deficiência existente. / The range of assumptions for ride comfort is considered very wide in the automotive world and they can assume lots of possible interpretations. The central idea in this work is define and manage some metrics that, during the concept and development phases of a vehicular program, be possible to follow a better direction for the attributes development and so reach the program targets. As the example in this work, a B platform typical vehicle is used and it is under development in a carmaker, its suspension springs and axle roll stiffness were setup with technical information similar to the ones presented in this work. The initial approach is empiric as occurred with the first independent suspension system studies in this continent and in the sequence, the work is complemented with standards for vibrational issues (ISO2361, ISO5008, BS6055), after this, finally how the vibrational energy is defined and perceived by human beings. The automotive suspensions of current days are very complex and there are lots of specific components to do a specific work, so the analysis are limited to primary ride and sub limit handling (up to 0,5 g). As conclusion, its possible setup a car that is comfortable and stable in the same time, since the elastic components for the vertical dynamics and steady state conditions are correctly set, so its correct balance is reached and no other components attributes are compromised to compensate any deficiency.

O tema do conforto na automobilística é bastante extenso e possuidor de muitas interpretações. A ideia central deste trabalho é definir e direcionar alguns métricos para que, durante as fases de conceituação e desenvolvimento de um veículo, seja possível ter um direcional de definição de componentes e atributos veiculares de modo a facilitar o direcionamento dos atributos no programa veicular, e assim atingir suas necessidades. Como exemplo empregado, é empregado um veículo de plataforma tipo B em desenvolvimento por uma montadora, o qual teve as molas de suspensão definidas e rigidezes laterais de eixos com base em material técnico interno equivalente aos estudos apresentados neste trabalho. É adotada uma abordagem inicialmente empírica conforme os primeiros estudos de suspensões independentes realizados neste continente, depois o trabalho é complementado com exigências de normas especificas para vibrações (ISO2361, ISO5008, BS6055) de modo a caracterizar energia vibracional e a interpretação pelo ser humano. Porém como hoje em dia as suspensões automotivas são muito mais complexas, existem componentes específicos para as várias condições de solicitação, deste modo a análise é limitada a situações de ride (conforto) primário e handling (dirigibilidade) em situações de sublimite na faixa linear (cerca de 0,5 g). Como conclusão dos estudos, é possível ter em um veículo atributos de estabilidade sem necessariamente prejudicar o conforto, pois sendo definidos corretamente os componentes elásticos da dinâmica vertical para situações estacionárias e de ride primário, é definido seu equilíbrio estacionário e assim não é necessário comprometimento dos atributos de outros componentes para compensar alguma deficiência existente. / The range of assumptions for ride comfort is considered very wide in the automotive world and they can assume lots of possible interpretations. The central idea in this work is define and manage some metrics that, during the concept and development phases of a vehicular program, be possible to follow a better direction for the attributes development and so reach the program targets. As the example in this work, a B platform typical vehicle is used and it is under development in a carmaker, its suspension springs and axle roll stiffness were setup with technical information similar to the ones presented in this work. The initial approach is empiric as occurred with the first independent suspension system studies in this continent and in the sequence, the work is complemented with standards for vibrational issues (ISO2361, ISO5008, BS6055), after this, finally how the vibrational energy is defined and perceived by human beings. The automotive suspensions of current days are very complex and there are lots of specific components to do a specific work, so the analysis are limited to primary ride and sub limit handling (up to 0,5 g). As conclusion, its possible setup a car that is comfortable and stable in the same time, since the elastic components for the vertical dynamics and steady state conditions are correctly set, so its correct balance is reached and no other components attributes are compromised to compensate any deficiency.

O trabalho tem por objetivo desenvolver um veículo com massa inferior a 500 kg e que atenda aos requisitos estruturais e biomecânicos conforme regulamentações das Nações Unidas referentes a segurança dos ocupantes, para tal serão aplicadas metodologias de otimização usando metamodelos, que são modelos substitutos aos modelos em elementos finitos. O trabalho apresenta o desenvolvimento de um veículo completo para dois ocupantes, o mesmo é conceitual pois é mais curto e estreito se comparado a um veículo convencional, propiciando a redução do espaço ocupado em centros urbanos. Por meio de simulação numérica computacional será avaliada a capacidade da estrutura em proteger os ocupantes, bem como serão utilizados manequins virtuais para obter as respostas do corpo humano aos diferentes eventos de colisão veicular. São apresentadas técnicas para criação dos metamodelos e definida a melhor aproximação que foi aplicada no processo otimização da estrutura do veículo, objetivando atingir a menor massa possível. Além disto, o veículo precisa cumprir aos requisitos de proteção dos ocupantes em casos de impacto frontal, lateral e traseiro. Também serão avaliadas as respostas biomecânicas dos ocupantes, respostas do corpo humano a forças internas e externas, em impactos veiculares não regulamentados pelas Nações Unidas, mas são procedimentos de teste empregados para avaliar e comparar os resultados entre diferentes veículos. O estudo é inovador pois na formulação dos problemas de otimização são utilizadas funções objetivo e restrições tanto estruturais quanto biomecânicas. O veículo projetado servirá de base para o desenvolvimento de futuros estudos em diferentes áreas e disciplinas da Universidade, podendo ser utilizado na definição, aplicação e validação de novos conceitos. Finalmente, por meio da otimização numérica computacional baseada em metamodelos, demonstra-se que o veículo pode ser melhorado, satisfazendo os requisitos estabelecido e promovendo redução no tempo e no custo de desenvolvimento de um novo veículo. / The work aims to develop a vehicle with mass less than 500 kg and it meets the structural and biomechanical requirements according to the United Nations regulations regarding the occupant protection. To achieve these goals will be applied optimization processes based on metamodels that are surrogate models for finite elements models. The work presents the development of a conceptual full vehicle for two occupants, it is shorter and narrower compared to a conventional vehicle, allowing the reduction of occupied space in urban centers. Through computational numerical simulation will evaluate the ability of the structure to protect the occupants and will be used virtual mannequins to assess the human body responses to different types of vehicular collisions. Techniques to create metamodels will be presented and setting the best approximation that was applied to the optimization process of the vehicle structure with the objective to obtain the lowest possible mass. Furthermore, the vehicle must meet the occupants\' protection requirements in events of frontal, lateral and rear impact. Also, it will be evaluated the occupants\' biomechanical responses in case of vehicular impacts not regulated by United Nations. However, these test procedures are applied to assess and comparing results among different vehicles. The study herein developed presents significant contributions since in the optimization problems are used both structural and biomechanical responses as objective and constraint functions. The vehicle designed will be a basis for the development of future studies in different areas and disciplines of the University. It will be used in the definition, implementation and validation of new concepts. Finally, it is shown that the application of numerical optimization based on metamodels is an effective process to improve the vehicle performance by meeting the requirements and promoting a reduction in time and cost of developing.