Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a estimativa de funções de resposta em freqüência angulares (FRFAs). Trata-se de uma técnica que utiliza transdutores piezelétricos (PZT) do tipo bimorph para a medição da curvatura local da estrutura através do potencial elétrico induzido pela extensão e compressão do sensor. A partir da estimativa da curvatura, a rotação pode ser obtida diretamente através de várias técnicas de interpolação (polinomial, formas modais, etc). Apresenta-se a modelagem téorica da qual se deriva as equações que governam a dinâmica de estruturas uni-dimensionais, do tipo viga, e estruturas bidimensionais, do tipo placa, ambas isotrópicas, onde se incorpora o sensor bimorph. Modelos em elementos finitos foram propostos no intuito de avaliar a utilização destes sensores (bimorphs) aplicados à estimativa das FRFAs. Apresentam-se também resultados numéricos e experimentais considerando-se uma viga engastada-livre (cantilever) e resultados numéricos considerando-se uma placa simplesmente apoiada. Um algoritmo genético foi ainda desenvolvido no intuito de determinar a posição e dimensão ótimas dos bimorphs em estruturas do tipo viga. / The present work aims to perform the development of an attractive approach for accurate measurement of angular frequency response functions (AFRFs). It uses bimorph piezoceramic patches to measure the structure\'s local curvature through the measurement of the electric potential induced by the extension and compression of the patch\'s top and bottom stripes, respectively. From this curvature, rotation can be obtained directly by several interpolation techniques (single polynomial, modes basis). Theoretical modeling of the vibration incorporating piezoelectric bimorph sensor is presented and equations governing the dynamics for one-dimensional structures, like a beam, and for two-dimensional structures, like a plate, are derived for isotropic structures. Finite element model for the dynamic analysis were proposed to evaluate bimorphs patches applied to the measurement of angular FRFs. Numerical and experimental results are presented considering a cantilever beam and numerical results for a simply supported plate as tested structured. Also, in this work, a genetic algorithm was used as an adaptive heuristic search algorithm for optimal placement and sizing of the bimorph sensor into beam like structures.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a estimativa de funções de resposta em freqüência angulares (FRFAs). Trata-se de uma técnica que utiliza transdutores piezelétricos (PZT) do tipo bimorph para a medição da curvatura local da estrutura através do potencial elétrico induzido pela extensão e compressão do sensor. A partir da estimativa da curvatura, a rotação pode ser obtida diretamente através de várias técnicas de interpolação (polinomial, formas modais, etc). Apresenta-se a modelagem téorica da qual se deriva as equações que governam a dinâmica de estruturas uni-dimensionais, do tipo viga, e estruturas bidimensionais, do tipo placa, ambas isotrópicas, onde se incorpora o sensor bimorph. Modelos em elementos finitos foram propostos no intuito de avaliar a utilização destes sensores (bimorphs) aplicados à estimativa das FRFAs. Apresentam-se também resultados numéricos e experimentais considerando-se uma viga engastada-livre (cantilever) e resultados numéricos considerando-se uma placa simplesmente apoiada. Um algoritmo genético foi ainda desenvolvido no intuito de determinar a posição e dimensão ótimas dos bimorphs em estruturas do tipo viga. / The present work aims to perform the development of an attractive approach for accurate measurement of angular frequency response functions (AFRFs). It uses bimorph piezoceramic patches to measure the structure\'s local curvature through the measurement of the electric potential induced by the extension and compression of the patch\'s top and bottom stripes, respectively. From this curvature, rotation can be obtained directly by several interpolation techniques (single polynomial, modes basis). Theoretical modeling of the vibration incorporating piezoelectric bimorph sensor is presented and equations governing the dynamics for one-dimensional structures, like a beam, and for two-dimensional structures, like a plate, are derived for isotropic structures. Finite element model for the dynamic analysis were proposed to evaluate bimorphs patches applied to the measurement of angular FRFs. Numerical and experimental results are presented considering a cantilever beam and numerical results for a simply supported plate as tested structured. Also, in this work, a genetic algorithm was used as an adaptive heuristic search algorithm for optimal placement and sizing of the bimorph sensor into beam like structures.

Este trabalho realiza uma investigação sobre técnicas experimentais para a determinação de Funções de Resposta em Freqüência (FRFs) angulares com aplicações em estruturas do tipo viga. Estas FRFs são definidas considerando-se como variável de saída o movimento angular (deslocamento, velocidade ou aceleração) exibido pela estrutura sob estudo quando a mesma é excitada por uma força linear ou um momento puro. Dada a grande dificuldade em se aplicar um momento puro à estrutura sob estudo, este trabalho utiliza como forma de excitação apenas esforços lineares que podem ser aplicados através de técnicas usuais de excitação em análise modal, tais como o excitador eletrodinâmico e o martelo impulsivo. Portanto as FRFs obtidas descrevem relações de saída e entrada do tipo Angular/Linear. Uma das técnicas utilizadas na determinação das FRFs angulares consiste na excitação de uma estrutura com um excitador eletrodinâmico e utilização de um corpo rígido na forma de um bloco T que é montado sobre a estrutura sob estudo. Dois acelerômetros lineares devem ser montados sobre o bloco T e a partir das duas acelerações lineares medidas buscam-se estimar um sinal proporcional à aceleração angular da estrutura no ponto de conexão. Outra técnica utiliza uma formulação via diferenças finitas, onde dois ou três acelerômetros (de acordo com a formulação de diferenças finitas utilizada) igualmente espaçados são montados diretamente sobre a estrutura sob estudo e são usados para se derivar à aceleração angular. Os resultados obtidos a partir destas técnicas são comparados com resultados obtidos a partir da utilização de um acelerômetro angular piezelétrico recentemente disponível no mercado. Também foram desenvolvidos modelos analíticos e computacionais via método dos elementos finitos a fim de se gerar subsídios adicionais para a análise dos resultados. Foram feitas várias constatações e dentre elas destacam-se resultados onde as FRFs angulares/lineares resultantes podem sofrer alterações significativas dependendo de como os dados experimentais são processados. / The present work aims to perform an investigation on experimental techniques for the determination of angular Frequency Response Functions (FRFs) in Modal Testing. Angular FRFs are those where the output variable is given by angular displacement, velocity or acceleration, whereas the input is given in terms of linear or angular quantities (a pure moment). Since the application of a pure moment as an excitation source still remains as a challenge, this work is focused in studying techniques to estimate angular/linear types of angular FRFs. One of these techniques consists of exciting the structure with a shaker and using a rigid T-block to measure the linear accelerations and then calculating the angular FRFs from these linear accelerations. Another technique employs finite differences formulations to get the angular motions. This technique uses the closely spaced accelerometers mounted directly to the structure under test, where at least two (according to the finite difference formula employed) accelerometers are used. The translational measurements are gathered and finite difference formulas are used to derive the necessary angular quantities. Additional tests are performed with an angular piezoelectric accelerometer recently available in the market in order to provide a comparison basis for the results obtained using the two techniques. The results are also compared whit theoretical models developed using analytical and Finite Element Formulations. Among all results obtained, it was understood that depending on the level of angular vibrations exhibited by the structure, and how the signals are processed, the resulting angular FRFs can suffer some significant changes

Este trabalho realiza uma investigação sobre técnicas experimentais para a determinação de Funções de Resposta em Freqüência (FRFs) angulares com aplicações em estruturas do tipo viga. Estas FRFs são definidas considerando-se como variável de saída o movimento angular (deslocamento, velocidade ou aceleração) exibido pela estrutura sob estudo quando a mesma é excitada por uma força linear ou um momento puro. Dada a grande dificuldade em se aplicar um momento puro à estrutura sob estudo, este trabalho utiliza como forma de excitação apenas esforços lineares que podem ser aplicados através de técnicas usuais de excitação em análise modal, tais como o excitador eletrodinâmico e o martelo impulsivo. Portanto as FRFs obtidas descrevem relações de saída e entrada do tipo Angular/Linear. Uma das técnicas utilizadas na determinação das FRFs angulares consiste na excitação de uma estrutura com um excitador eletrodinâmico e utilização de um corpo rígido na forma de um bloco T que é montado sobre a estrutura sob estudo. Dois acelerômetros lineares devem ser montados sobre o bloco T e a partir das duas acelerações lineares medidas buscam-se estimar um sinal proporcional à aceleração angular da estrutura no ponto de conexão. Outra técnica utiliza uma formulação via diferenças finitas, onde dois ou três acelerômetros (de acordo com a formulação de diferenças finitas utilizada) igualmente espaçados são montados diretamente sobre a estrutura sob estudo e são usados para se derivar à aceleração angular. Os resultados obtidos a partir destas técnicas são comparados com resultados obtidos a partir da utilização de um acelerômetro angular piezelétrico recentemente disponível no mercado. Também foram desenvolvidos modelos analíticos e computacionais via método dos elementos finitos a fim de se gerar subsídios adicionais para a análise dos resultados. Foram feitas várias constatações e dentre elas destacam-se resultados onde as FRFs angulares/lineares resultantes podem sofrer alterações significativas dependendo de como os dados experimentais são processados. / The present work aims to perform an investigation on experimental techniques for the determination of angular Frequency Response Functions (FRFs) in Modal Testing. Angular FRFs are those where the output variable is given by angular displacement, velocity or acceleration, whereas the input is given in terms of linear or angular quantities (a pure moment). Since the application of a pure moment as an excitation source still remains as a challenge, this work is focused in studying techniques to estimate angular/linear types of angular FRFs. One of these techniques consists of exciting the structure with a shaker and using a rigid T-block to measure the linear accelerations and then calculating the angular FRFs from these linear accelerations. Another technique employs finite differences formulations to get the angular motions. This technique uses the closely spaced accelerometers mounted directly to the structure under test, where at least two (according to the finite difference formula employed) accelerometers are used. The translational measurements are gathered and finite difference formulas are used to derive the necessary angular quantities. Additional tests are performed with an angular piezoelectric accelerometer recently available in the market in order to provide a comparison basis for the results obtained using the two techniques. The results are also compared whit theoretical models developed using analytical and Finite Element Formulations. Among all results obtained, it was understood that depending on the level of angular vibrations exhibited by the structure, and how the signals are processed, the resulting angular FRFs can suffer some significant changes