[pt] Este texto pode ser dividido em duas partes: a primeira trata da modelagem de sistemas dinâmicos, passando da chamada formulação forte ao conceito de formulação variacional, sem antes deixar de apresentar ferramentas básicas do cálculo variacional e o Princípio de Hamilton. Os conceitos são exemplificados por duas estruturas que acompanham todo o texto: um cabo unidimensional e uma placa. Ainda na primeira parte, é apresentado o problema de autovalor de sistemas contínuos e são mostradas as propriedades dos operadores autoadjuntos. Ao longo desta etapa e no apêndice, soluções analíticas para o problema de autovalor são desenvolvidas. Por ser a obtenção das soluções analíticas dos problemas por demais engenhosas ou até mesmo impossíveis, um outro caminho é proposto: a aproximação de soluções, sendo este o tema da segunda parte deste texto. Ela é iniciada pela apresentação de métodos de discretização dos sistemas contínuos sem deixar de exemplificá-los. Os métodos são usados como ferramentas de aproximação dos modos de vibração. São abordados os Métodos de Ritz, de Galerkin e o da Colocação. As funções usadas no primeiro e no segundo são geradas pelo Método dos Elementos Finitos e as aproximações dos modos por este método são usadas na redução de sistemas, para então se obter a resposta dinâmica dado um carregamento. Toda a teoria é reforçada ao final com dois problemas práticos: um cabo durante uma operação de abastecimento de uma plataforma de petróleo e o outro de uma placa durante uma operação de jateamento. Por último, mas não menos importante, um capítulo é dedicado ao Método da Colocação, onde polinômios de ordem superior, os polinômios de Chebyshev, são usados para a aproximação com o uso de diferentes grades de interpolação, a grade de Chebyshev-Gauss e a grade de Gauss-Lobatto. / [en] This text can be divided into two parts: the first deals with modeling of dynamic systems, passing through the so-called strong formulation to the concept of variational formulation, considering the basic tools of variational calculus and the Hamilton Principle. The concepts are exemplified by two structures that follows the whole text: a unidimensional cable and a plate. Still in the first part, the eigenvalue problem of continuous systems is presented and the properties of self-adjoint operators are shown. Throughout this stage and at the appendix, analytical solutions to the eigenvalue problem are developed. As to get the problems analytical solutions may be too ingenious or even impossible, another way is proposed: the use of approximate solutions, which is the theme of the second part of this text. It starts by presenting methods of discretization of continuous systems, exemplifying them. The methods are used as tools for approximation of the vibration modes. The Ritz, Galerkin and Collocation methods are exposed. The functions used at the first and at the second are generated by the Finite Element Method and the modes approximated by this method are used to reduce the systems to then obtain the dynamic response to a given dynamic loading. The whole theory is reinforced with two practical problems at the end: one is about a cable during a supplying operation of an oil rig and the other is about a plate during a shot blastening operation. Last but not least, a chapter is devoted to the Collocation Method, where higher-order polynomials, the Chebyshev polynomials, are used to the approximation using different interpolation grids, the Chebyshev-Gauss and the Gauss-Lobatto grid.

Submitted by DANIEL CELSO DALTIN null (danieldaltin@gmail.com) on 2017-06-07T13:22:34Z No. of bitstreams: 1 DissertMestradoDaltin2017.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-07T13:36:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 daltin_dc_me_bauru.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-07T13:36:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daltin_dc_me_bauru.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) Previous issue date: 2017-05-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O estudo de técnicas de controle de vibração tem grande importância em diversas áreas da Engenharia, tais como Aeroespacial, Automobilística, Mecânica, Robótica, etc. Um dos principais problemas observados nesses sistemas referem-se as oscilações mecânicas oriundas dos movimentos, ocasionando as vibrações nas estruturas flexíveis. Os sistemas de controle de veículos espaciais, satélites artificiais, manipuladores robóticos, guindastes rotativos, vigas engastadas, entre outros, mesmo se considerados rígidos, apresentam comportamento não-linear. Analisar essas situações expostas visa, dentro das diversas áreas, proporcionar maior margem de segurança e estabilidade do equipamento, da carga e dos usuários. Diante desse contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver modelos matemáticos para sistemas rotacionais em estruturas flexíveis e aplicar um Observador de Estados para estimar as variáveis de estado, que permite diminuir a quantidade de sensores, e projetar controladores para atenuar vibrações, com base na resposta experimental, na avaliação, verificação e validação do modelo desenvolvido para controlar vibrações em estruturas flexíveis. A metodologia utilizada baseia-se em desenvolver modelos matemáticos do sistema de controle de vibração para o sistema Rotary Flexible Link da Quanser, que consiste de uma haste metálica flexível acoplada a um servomecanismo que permite o movimento rotacional no plano horizontal. Para a obtenção das equações de movimento, considerou-se o método de Euler-Lagrange. Os resultados foram o desenvolvimento e validação experimental dos modelos matemáticos para controlar a vibração da viga flexível, e com a utilização do Observador de Estados permitiu demonstrar uma ótima estimativa das variáveis de estado, além de eliminar a utilização do tacômetro e do strain gage. / The study of vibration control techniques has great importance in several areas of Engineering, such as Aerospace, Automotive, Mechanics, Robotics, etc. One of the main problems observed in these systems refers to the mechanical oscillations originating from the movements, causing the vibrations in the flexible structures. Space vehicle control systems, artificial satellites, robotic manipulators, rotary cranes, clamped beams, among others, even if considered rigid, exhibit non-linear behavior. Analyzing these exposed situations aims, within the several areas, to provide greater margin of safety and stability of the equipment, the load and the users. Given this context, this work aims to develop mathematical models for rotational systems in flexible structures and to apply a State Observer to estimate the state variables, which allows to reduce the number of sensors, and design controllers to attenuate vibrations, based on the response Experimental, in the evaluation, verification and validation of the model developed to control vibrations in flexible structures. The methodology used is based on developing mathematical models of the vibration control system for the Rotary Flexible Link system of Quanser, which consists of a flexible metal beam coupled to a servomechanism that allows rotational movement in the horizontal plane. In order to obtain the equations of motion, the Euler-Lagrange method was considered. The results were the development and experimental validation of the mathematical models to control the vibration of the flexible beam, and with the use of the State Observer, it was possible to demonstrate a good estimation of the state variables, besides eliminating the use of the tachometer and the strain gage.

Uma antena-radar clássica é composta basicamente de uma fonte primária justaposta a um foco refletor parabólico. A lei de iluminação é estabelecida de maneira a satisfazer, tão precisamente quanto possível, a forma do feixe desejado. É a movimentação do conjunto que garante a cobertura de exploração desejada. O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parâmetros e restrições definidas. Os objetivos do trabalho são: levantar e estudar os fatores relevantes para especificação de um projeto de controle de posição de uma antena-radar através de servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posição através de servomecanismo; propor um modelo estrutural teórico consistente do conjunto antena-radar para fins de simulação dinâmica e análise modal da estrutura, e apresentar a implantação do sistema de controle proposto num projeto real de Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorológico. A proposta de controle foi aplicada com êxito no Modelo de Engenharia do Radar Meteorológico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consórcio Omnisys/Atech, que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em consideração para o desenvolvimento de um projeto deste tipo. Como conclusões do texto, são apresentadas considerações com relação ao projeto, apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento. / A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation. The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant factors for the specification of a control system design for the positioning of a servodriven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna. The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech, installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form, all relevant factor that must be taken into account in the development of such design. The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the design, which point out faults and weak points of the development.

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.

[pt] Este trabalho apresenta uma análise dinâmica de uma turbina eólica com torre tubular e com rotor de três pás sob carregamentos determinísticos e estocásticos, concentrados e distribuídos, dentre eles os provocados pelo vento e por correntes marinhas. Variações nas condições do solo são permitidas sendo simuladas como molas axiais e torcionais lineares instaladas na base da torre. Os carregamentos aleatórios são devidos à ação do vento sobre as pás da turbina. As simetrias envolvidas permitem que a torre seja modelada como quatro elementos estruturais distintos e superpostos: uma viga com movimento espacial (dois movimentos laterais independentes), um eixo (movimento de torção) e uma barra (movimento axial). Elementos finitos são utilizados para a aproximação da dinâmica da torre, sendo então construído um modelo reduzido, utilizando uma base de dimensão finita com autovetores da estrutura. Os demais componentes da turbina, nacele, eixo e pás são modelados como corpos rígidos. Todos os componentes são agrupados e para modelar seus vínculos são impostas equações de restrição. Um algoritmo baseado no método de Newmark foi desenvolvido para integrar o sistema de equações no tempo. Velocidades, acelerações, forças e torques são obtidos para diversas configurações. / [en] This thesis presents a dynamic analysis of a three-blade wind turbine with tubular cross section under deterministic and stochastic concentrated and distributed loads including those caused by wind and by sea currents. Variations in soil conditions are allowed, being modeled as linear axial and torsional springs installed at the base of the tower. The random loading is due to the action of the wind on the turbine blades. The symmetries involved allow the tower to be modeled as having four separated and superimposed structural behaviors: a beaming spatial (lateral motion), a shaft (torsional) motion and a bar (axial) motion. Finite elements are used for approximating the dynamic of the tower and then a reduced model is constructed using a basis of finite dimension of the structure eigenvectors. The other turbine components, namely, the nacelle, the shaft and the blades are modeled as rigid bodies whose links are imposed by constraints functions. An algorithm based on Newmark method was developed to integrate the system of equations in time. Velocities, accelerations, forces and torques as well as the resulting stresses are obtained for several configurations.

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.

Orientador: Edson Antônio Capello Sousa / Banca: Mauro Hugo Mathias / Banca: Paulo Roberto de Aguiar / Resumo: Os materiais viscoelásticos têm sido muito utilizados para atenuar vibração e ruído em estruturas, devido a sua capacidade inerente de absorver uma porcentagem de energia vibratória dos sistemas mecânicos e de dissipá-la sob a forma de calor. Esse tipo de amortecimento tem sido utilizado em muitas aplicações nas indústrias automotiva e aeroespacial, porém as propriedades dinâmicas das estruturas viscoelásticas não são fáceis de serem determinadas, pois suas respostas dependem de muitos fatores externos, tais como a geometria da estrutura, a freqüência de excitação a qual a estrutura está submetida, entre outros. Neste trabalho foi implementado um aparato experimental composto por um motor de corrente contínua, controlado por Modulação por Largura de Pulso (PWM), ao qual se engastou uma estrutura flexível de aço inox (escalímetro), com e sem revestimento viscoelástico. O objetivo foi analisar tal estrutura quando excitada em movimento livre e forçado. Ao oscilar a estrutura, os extensômetros, devidamente acoplados em sua superfície, faziam a leitura dos dados (deformação) e os enviavam a um instrumento de aquisição de dados analógicos, os quais, após a conversão para digital, foram enviados a um PC para análises necessárias ao experimento. Para avaliar as características das estruturas e estimar as taxas de amortecimento, foram aplicados técnicas de decremento logarítmico nas análises em movimento livre e o método da banda de meia potência nas análises em movimento forçado. Foram utilizados dois modelos de materiais viscoelásticos (fitas VHB da 3M). Os métodos de revestimentos foram: "Configuração de Camada Livre" e "Estrutura Sanduíche". Este último permitiu aumentar as deformações cisalhantes na camada viscoelástica e, conseqüentemente, aumentou a dissipação de energia vibratória. Essas análises permitiram... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The viscoelastic materials have been widely used to reduce noise and vibration on structures, because of its inherent ability to absorb a percentage of vibrating energy in mechanical systems and dissipate it as heat. This type of damping has been used in many applications in the automotive and aerospacial industries, but the dynamic properties of viscoelastic structures are not easy to be determined, because their answers depend on many external factors, such as the geometry of the structure, the frequency of excitation that the structure is exposed, among others. In this work a prototype composed of a DC engine, controlled by the Pulse Width Modulator by (PWM), which is setting up a flexible stainless steel (scale ruler), with and without coating viscoelastic has been implemented. The objective was analyze the structure when excited in free and forced movement. When the structure swings, the strain Gages properly attached to its surface, made the reading of data (deformation), and sent it to an analog data acquisition instrument, which after that converts analogical data to digital and they were sent to a PC for experiment analysis. To evaluate the structure characteristics, and estimate the damping rates were applied techniques of analysis in logarithmic decrement in free movement, and the method of half-band power in the forced movement analysis. We used two models of viscoelastic materials (tapes of 3M HBV). The methods of coating were: "Setting Free Layer" and " structure Sandwich." The last one enabled the increase the cut deformations in viscoelastic layer and consequently increased the dissipation of vibrating energy. These tests have allowed a better understanding of the influence of viscoelastic material in the vibration behavior of these structures. / Mestre

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The goal of this paper is to study the LQG problem for a class of infinite dimensional systems. We investigate the convergence of compensator gains for such systems when standard finite element schemes are used to discretize the problem. We are particularly interested in the analysis of the uniformly exponential stability of the corresponding closed - loop systems resulting from the finite dimensional compensators. A specific multiple component flexible structure is used to focus the analysis and to test problem in numerical simulations. An abstract framework for analysis and approximation of the corresponding dynamics system is developed and used to design finite - dimensional compensators. Linear semigroup theory is used to establish that the systems are well posed and to prove the convergence of generic approximation schemes. Approximate solutions of the optimal regulator and optimal observer are constructed via Galerkin - type approximations. Convergence of the scheme is established and numerical results are presented to illustrate the method / Ph. D.