Neste trabalho é apresentada uma metodologia de projeto de bomba dinâmica por lâmina ondulante. Um algoritmo permite determinar variáveis de projeto da bomba que maximizem a eficiência energética. A bomba consiste em um canal de seção transversal quadrada, dentro do qual há uma lâmina flexível, articulada nas extremidades. Impõe-se deformação transversal nessa lâmina. A deformação deve ter forma senoidal que se propaga ao longo da lâmina. A amplitude e a freqüência de oscilação são controladas. Os campos de pressão e velocidade no canal foram estimados por simulação numérica, uma vez que não é possível obter uma solução analítica. O Método dos Elementos Finitos foi empregado para resolver a equação de Navier-Stokes. O movimento da lâmina foi representado através do conceito de fronteiras virtuais móveis. Uma vez obtidos os campos de pressão e velocidade, calcula-se a eficiência energética para avaliar quais variáveis de projeto geram maior eficiência energética. Doze atuadores eletromagnéticos aplicam forças a lâmina. O estado da lâmina é observado por cinco sensores de posição capacitivos. O comprimento da lâmina, a largura da lâmina, amplitude das oscilações, a freqüência das oscilações, altura do canal e largura do canal são variáveis de projeto. Uma tabela que relaciona variáveis de projeto e eficiência mecânica foi calculada. Os resultados de simulação numérica indicam que é possível obter eficiência energética média da ordem de 20%. Resultados experimentais mostram o escoamento na saída da bomba. Este escoamento ocorre por golfadas em lados alternados da lâmina ondulatória. / In the present work a design methodology of ondulatory pumps is proposed. An algorithm determines the design variables which maximize energy efficiency. The pump consists of a channel, with square transversal area, and a flexible blade hinged at its extremities. A sinusoidal transversal deformation is imposed by electromagnetic forces. The transversal deformation have sinusoidal shape and propagates along the channel, it resembles the movement of anguiliform fishes. The amplitude and frequency of oscillations are controled. The pressure and velocity fields in the channel are computed by numerical simulations since analytical solutions are not possible. The Finite Elements Method is used to solve the Navier-Stokes equations. The blade movement is represented through the concept of virtual moving boundaries. Once the pressure and velocity fields are computed, the mechanical efficiency of the pump is computed to determine which set of design parameters generates higher energy efficiency. Twelve electromagnetic actuators apply forces on the blade. The state of the blade is observed by five capacitive position sensors. Amplitude of oscillations and frequency of oscillations are design variables. A map from design variables space to efficiency was computed. The results from numerical simulations suggest that it is possible to generate energy efficiency close to 20%.Experimental results show the flow at the outlet of the pump. The flow is more intense on alternate sides of the ondulatory beam.

O presente trabalho tem por objetivo apresentar um estudo sobre o controle ativo de um manipulador robótico, que consiste de uma lâmina exível, articulada em uma extremidade a um atuador do tipo harmonic-drive e livre na outra. Considera-se a modelagem dinâmica estrutural baseada no formalismo discreto "lumped mass approach", o qual aproxima a exibilidade contínua por uma discreta, adotando-se um número nito de modos exíveis. A dinâmica do atuador também é considerada no modelo, a qual contém exibilidade e atritos. Tal modelagem é validada via comparação entre resultados de simulações e experimentos. Atritos não lineares existentes no interior das juntas dos robôs provocam efeitos tais como zona morta em torque e comportamentos do tipo stick-slip, di cultando o desempenho de leis de controle para o caso de robôs rígidos, chegando a inviabilizar completamente o controle para o caso dos robôs com elos exíveis. Para diminuir estes problemas utilizou-se uma rede neural arti cial (RNA) treinada o -line. A saída da RNA é o atrito estimado, o qual é utilizado para compensar o atrito real do manipulador. Como a RNA é treinada o -line e o atrito é um fenômeno que varia com o tempo e com as condições de operação do atuador, a RNA perde seu desempenho, surgindo assim a necessidade de auto ajustar o mecanismo de compensa ção. O torque de atrito (saída da RNA) é multiplicado por um ganho obtido a partir de um algoritmo de inferência fuzzy, constituindo, um compensador neurofuzzy. O algoritmo fuzzy ajusta on-line a saída do compensador para lidar com as variações do torque de atrito. Resultados experimentais indicaram que o compensador neuro-fuzzy reduz signi cativamente a não linearidade imposta pelo atrito no atuador. O problema de controle de vibrações da estrutura exível é abordado com as técnicas alocação de pólos e LQG/LTR (Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery) por meio de simulações. A tese é concluída com a apresentação de resultados experimentais de um controlador baseado na síntese H1 combinada com o compensador de atrito, cujo desempenho mostrou-se satisfatório no controle de vibrações da lâmina exível. / The aim of the present work is the active control of a robotic manipulator, which consists of a exible beam, articulated at one extremity by a harmonicdrive actuator and free at the other. It is employed a structural dynamic model based on the lumped mass approach, which approximates the continuous beam exibility by a discrete one, using a nite number of exible modes. The dynamics of the actuator is also considered in the model, based on its exibility and friction. The model is validated using numerical and experimental results. The non linear friction in the robot joints provokes e ects such as torque dead zone and stick-slip behaviors, di culting the performance of control laws for rigid robots and avoiding completely the control law performance in the case of robots with exible links. To reduce these problems an arti cial neural network (NN), trained o -line, was employed. The NN output is the estimated friction, which is used to compensate the real friction of the manipulator. Since the NN is trained o -line and the friction varies with time and with the actuator operational condition, the NN looses its performance, needing to self adjust this mechanism. The friction torque (NN output) is multiplied by a gain obtained from a fuzzy inference algorithm, resulting the neuro-fuzzy compensator. The fuzzy algorithm adjusts the compensator output on-line to deal with the variations of the friction torque. Experimental results indicate that the neuro-fuzzy compensator can signi cantly decrease the non linearity due to the friction on the actuator. The control of the structural vibrations is treated using pole allocation and Linear Quadratic Gaussian/Loop Transfer Recovery (LQG/LTR). The thesis ends with the presentation of experimental results for a controller based on H1 synthesis combined with a friction compensator, whose performance showed to be satisfactory in controlling the vibration of the exible beam.

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T00:36:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_DanielAugusto_D.pdf: 10049171 bytes, checksum: 63439cd1c1df78b669ff99ba303ad488 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Partindo-se do princípio de que detectar falhas em sistemas realimentados pode ser considerada tarefa difícil, nessa tese é proposto um método para detecção de falhas de sensores em estruturas flexíveis sujeitas a controle ativo de vibração. O método é baseado num esquema com banco de estimadores para geração de resíduos e no uso de indicadores para a análise quantitativa desses resíduos. O esquema de banco de estimadores permite o isolamento das falhas. Os estimadores utilizados são observadores de saída, filtros de Kalman e filtros H-infinito. Já os indicadores propostos são versões modificadas da diferença entre os valores RMS das saídas medidas e estimadas, a soma do módulo do erro de estimativa, a soma quadrática do erro de estimativa e o modal assurance criterion. É proposto um reescalamento dos indicadores e também um novo indicador, definido pelo produto das versões modificadas e reescaladas dos indicadores clássicos. Inicialmente a técnica foi validada em simulações, primeiro com um modelo de elementos finitos de uma estrutura de placa e posteriormente com um modelo de placa identificado experimentalmente, ambos sob controle ativo de vibração. Experimentos com a estrutura de placa também foram realizados e comprovaram a eficácia da técnica / Abstract: Assuming that fault detection in feedback systems can be considered a hard task, it is proposed in this thesis a method for sensor fault detection in flexible structures subjected to active vibration control. The method is based on a scheme with bank of estimators for residual generation and indicators for quantitative analysis of residues. The bank estimators scheme allows the fault isolation. The estimators used are output observers, Kalman filters and H-infinity filters. The proposed indicators are modified versions of the difference between RMS values of measured and estimated outputs, the sum of the modulus of the estimation error, the quadratic sum of the estimation error and the modal assurance criterion. It is proposed a rescaling of the indicators and also a new indicator, defined by the product of the modified and rescaled versions of classical indicators. Initially the technique is validated in simulations, first with a finite element model of a plate structure and latter with an experimentally identified plate model, both under active vibration control. Experiments with the plate were also performed and proved the effectiveness of the technique / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T04:19:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HuamanOrtiz_RonaldRichard_M.pdf: 3700691 bytes, checksum: e0c35e9a16c6fd36ae433ab9a61c6cbb (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O projeto de sistemas de controle ativo de vibrações para estruturas flexíveis envolve a síntese de controladores que, geralmente, reduzem certos picos da resposta em frequência do sistema em malha fechada. Em alguns casos é requerido controlar unicamente um modo de vibrar específico do sistema em análise que pode estar associado a uma faixa de baixa, média ou alta frequência, o que demanda de um controle modal de vibrações. Neste trabalho, propõem-se três métodos alternativos para sintetizar controladores modais utilizando a teoria de controle H-infinito em uma configuração de controle por realimentação de saída. O primeiro método é implementado utilizando funções de ponderação as quais são introduzidas no problema de controle H-infinito para definir as características do controlador de maneira que este atenue a vibração do sistema na região em frequência correspondente ao modo que se deseja controlar (modo de interesse). O segundo método procura sintetizar controladores modais de menor ordem, utilizando uma planta reduzida. Essa planta reduzida contém unicamente a informação dinâmica do modo que se deseja controlar e é obtida através de uma transformação modal. O terceiro método procura melhorar o desempenho do controlador modal (conseguir uma maior redução da vibração do modo de interesse). Este método propõe sintetizar o controlador modal formulando um problema de otimização não linear onde as variáveis do controlador modal são as variáveis de otimização e a função objetivo é definida com valores específicos da resposta em frequência do sistema dinâmico. A solução deste problema de otimização é obtida utilizando o algoritmo de programação quadrática sequencial (SQP). Os três métodos são verificados utilizando o modelo de uma viga flexível engastada que é modelada através do método dos elementos finitos. Finalmente, os resultados obtidos são discutidos analisando as vantagens e desvantagens dos métodos propostos / Abstract: The design of active vibration control systems for flexible structures involves the tuning of controllers that reduce, generally, certain frequency resonance peaks of the close loop system. In some cases it is required to control a specific vibration mode of the system from a low, middle or high frequency range, demanding a modal vibration control. In this study it is proposed three alternative modal control methods using the H-infinity control theory in an output feedback control configuration. The first method is implemented using weighting functions which are introduced into the H-infinity control problem to define the characteristics of the controller so that it mitigates the system vibration in the frequency region that corresponds to a specific vibration mode (mode of interest). The second method attempts to synthesize lower order modal controllers, using a reduced plant. This reduced plant contains only the dynamic information of the vibration mode you want to control and is obtained through a modal transformation. The third method aims to improve the performance of the modal controller (to achieve a further reduction of the vibration mode of interest). This method proposes to synthesize the modal controller formulating a non-linear optimization problem where the variables of the modal controller are defined as the optimization variables and the objective function is defined with specific values of the frequency response of the dynamic system. The solution to this optimization problem is obtained using the sequential quadratic programming (SQP) algorithm. The three methods are verified using the model of a cantilever flexible beam that is modeled by the finite element method. Finally, the results are discussed considering the advantages and disadvantages of the proposed methods / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Regarding the flexible structures and vibration area, this paper aims to develop, implement and validate an analytical and experimental model of cantilevered beam in order to analyze the natural frequencies and vibration modes through a prototype assembled in lab. The analytical model was obtained using the theory of Euler-Bernoulli beams and Lagrange formalism. To decouple the system associated variables was applied the assumed method. The analytical model implementation and simulation were developed using the MATLAB software. The data acquisition process was developed by LABVIEW software. Complementary tests regarding shaker and servo motors were performed and showed in order to aggregate for the experimental procedure. The experimental and analytical results of this paper present good approximation between them allowing the analytical model of cantilevered beam characterization. / Esta dissertação tem como proposta desenvolver, implementar e validar o modelo matemático e experimental de uma viga flexível simplesmente engastada, permitindo analisar as frequências naturais e modos de vibração, através de um protótipo montado em laboratório. O modelo analítico foi obtido utilizando-se a teoria de vigas de Euler-Bernoulli e o formalismo de Lagrange. Para discretização das variáveis acopladas ao sistema, foi utilizado o Método dos Modos Assumidos. Para a implementação do modelo analítico e a simulação dos resultados foi utilizado o software MATLAB. O processo de aquisição de dados experimentais foi desenvolvido utilizando o software Labview. Testes complementares relacionados à utilização de shaker e servo motor também são apresentados. Os resultados experimentais e analíticos apresentam boa aproximação entre si, permitindo validar o modelo analítico da viga em estudo.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-08-20T14:23:35Z No. of bitstreams: 1 GLERYSTON THIAGO GOMES DA SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 4116473 bytes, checksum: 5df445f57ab1b4d9326f681288378141 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-20T14:23:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GLERYSTON THIAGO GOMES DA SILVA - DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 4116473 bytes, checksum: 5df445f57ab1b4d9326f681288378141 (MD5) Previous issue date: 2017-05-03 / Capes / O presente trabalho avalia a adesão entre fios e fitas de uma liga com memória de forma (LMF) de Ni-Ti e uma borracha de silicone, para o desenvolvimento de estruturas flexíveis. A avaliação da adesão foi realizada através de ensaios de extração (Pull Out). Para realização dos ensaios, foram produzidos seis tipos de corpos de prova (CPs) em que os fios e as fitas foram embebidos em uma matriz de borracha de silicone. Primeiramente, as fitas foram obtidas laminando a frio fios de Ni-Ti superelástico. Após a laminação as fitas foram submetidas a tratamento térmico em temperaturas e tempos diferentes, a fim de obter dois tipos de fitas: uma com característica de superelasticidade (SE) e outra com o efeito memória de forma (EMF). Um promotor de adesão Dow Corning 1200 Primer foi aplicado nas superfícies dos fios e das fitas para aumento da adesão. Os fios e as fitas de Ni-Ti e a borracha de silicone foram individualmente caracterizados por Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA) e tração uniaxial, analisando o comportamento do fator de amortecimento, módulo de elasticidade, tensões de transformação e temperaturas de transformação de fase. O ensaio de carregamento – descarregamento em tração na borracha de silicone também foi realizado para analisar a presença do efeito Mullins. Para verificação qualitativa do aumento da rugosidade e da adesão geradas pelo processo de laminação e pela aplicação do primer, respectivamente, foram realizadas imagens por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) nos fios e nas fitas de Ni-Ti antes e após o ensaio de extração (Pull Out). A partir dos resultados obtidos, observa-se que o fio superelástico e as fitas de Ni-Ti laminadas e tratadas termicamente sem aplicação do primer não apresentam adesão suficiente para o desenvolvimento de estruturas flexíveis compostas por borracha de silicone e elementos atuadores como fios e fitas de Ni-Ti, sendo necessária a aplicação de um promotor de adesão (primer) nas superfícies das LMF. / The present work evaluates the adhesion between Ni-Ti Shape Memory Alloy (SMA) wires and ribbons embedded into a silicone rubber, for the development of flexible structures. Adhesion evaluation was performed through pullout tests. To perform the tests, six types of specimens were produced, in which the wires and ribbons were embedded in a silicone rubber matrix. Firstly, the ribbons were obtained by cold rolling of a superelastic Ni-Ti wire. After the cold rolling, the ribbons were subjected to heat treatment at different temperatures and times in order to obtain two types materials: one with Superelasticity (SE) property and other with Shape Memory Effect (SME). A Dow Corning 1200 Primer adhesion promoter was applied to the surfaces of the wires and ribbons to improve adhesion. Ni-Ti wire and ribbons and silicone rubber were characterized by Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dynamic-Mechanical Analysis (DMA) and uniaxial tensile tests, to obtain loss factor behavior, elastic modulus, tensile stress transformations and phase transformation temperatures. Analysis of tensile loading - unloading test on silicone rubber was also performed to evaluate the presence of the Mullins effect. For the qualitative verification of the roughness and adhesion improvement, generated by the cold rolling process and the application of the primer, respectively, images of Scanning Electron Microscopy (SEM) and Dispersive Energy Spectroscopy (EDS) in the Ni- Ti wire and ribbons were performed before and after the pullout tests. The obtained results indicate that the Ni-Ti superelastic wires and heat treated cold rolled ribbons without primer do not present sufficient adhesion for the development of silicone rubber flexible structures with embedded Ni-Ti wires and ribbons, requiring the application of an adhesion promoter (primer) on the surfaces of the SMA.

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T11:40:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Izuka_JaimeHideo_D.pdf: 4550690 bytes, checksum: d283c500cecbc7a038784ba35f0f73df (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A utilização de braços manipuladores flexíveis em veículos de exploração foi o motivador deste trabalho. Estas estruturas têm como vantagens a sua massa reduzida e a capacidade de suportar grandes deformações sem que o limite de elasticidade seja excedido. O controle das vibrações de sua extremidade livre é essencial para uma aplicação prática. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo a determinação de um modelo dinâmico para uma estrutura longa e flexível, visando o seu controle de vibração. A estrutura considerada possui seção variável, semelhante a uma viga telescópica. Considera-se ainda que a estrutura esteja sujeita a uma grande deformação causada pelas ações de tendão de tração, peso próprio e cargas concentradas. O modelo dinâmico consiste na adaptação de uma malha de elementos finitos de baixa ordem à configuração da linha de deformação estática da viga. A vibração a ser controlada consiste das pequenas oscilações que ocorrem em torno da posição de equilíbrio da viga deformada. O modelo dinâmico encontrado para a estrutura é utilizado no projeto de um controlador de vibrações, ativado por forças exercidas no tendão de tração, responsável pela deformação estática da própria viga. Comparações com a literatura, bem como resultados experimentais comprovam a validade do modelo empregado para a caracterização do sistema. Simulações numéricas mostram o sucesso de uso do modelo no projeto de um controlador ativo de vibrações / Abstract: The use of flexible manipulator arms in exploration vehicles was the motivation of this work. The advantages of such structures are their light weight and the capability to withstand large displacements without exceeding their specified elastic limit. The control of vibrations of its free end is essential for a practical application. In this context, the objective of this study is to determine a dynamic model for a long and flexible structure, aiming its vibration control. The structure has a variable section, similar to a telescopic beam. Large deformation behavior of the structure is considered. Concentrated loads, self-weight of the structure and tendon traction are the loads applied to the structure. The model dynamics is described by a low order finite element mesh, which is adapted to the geometry defined by the static deformation of the beam. The vibrations to be controlled are the small oscillations about the equilibrium position of the deformed beam. The dynamic model found for the structure is applied to design an active vibration controller. The controller forces are applied though the tendon traction cables, which is also responsible for the static deformation of the beam itself. Comparison with literature as well as experimental results prove the validity of the model used to characterize the system. Numerical simulations show the success of using the model in the design of an active vibration controller / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica