Este trabalho apresenta o desenvolvimento de sistemas inteligentes aplicados ao monitoramento de estruturas aeronáuticas abordando dois modelos distintos: o primeiro é a análise e classificação de imagens de ultrassom de estruturas aeronáuticas com objetivo de apoiar decisões em reparo de estruturas aeronáuticas. Foi definido como escopo do trabalho uma seção transversal da asa da aeronave modelo Boeing 707. Após a remoção de material superficial em áreas comprometidas por corrosão, é realizada a medição da espessura ao longo da área da peça. Com base nestas medições, a Engenharia realiza a análise estrutural, observando os limites determinados pelo manual de manutenção e determina a necessidade ou não de reparo. O segundo modelo compreende o método de impedância eletromecânica. É proposto o desenvolvimento de um sistema de monitoramento de baixo custo aplicado em uma barra de alumínio aeronáutico com 10 posições de fixação de porcas e parafusos. O objetivo do sistema é avaliar, a partir das curvas de impedância extraídas do transdutor PZT fixado na barra, sua capacidade de classificar a existência ou não de um dano na estrutura e, em caso de existência do dano, indicar sua localização e seu grau de severidade. Foram utilizados os seguintes classificadores neste trabalho: máquina de vetor de suporte, redes neurais artificiais e K vizinhos mais próximos. / This work presents the development of intelligent systems applied to the monitoring of aircraft structures addressing two distinct models: the first is the analysis and classification of ultrasound images of aircraft structures in order to support decisions on repair of aircraft structures. A scope of work was defined as a cross section of the wing of the aircraft model Boeing 707. After the removal of surface material in damaged areas by corrosion, thickness measurements in the whole structure are evaluated. Based on the measurements, the Engineering performs structural analysis, observing the limits determined by the maintenance manual and determining the necessity of repair. The second model includes the method of electromechanical impedance. It is proposed to develop a low cost monitoring system applied to an aircraft aluminum bar with 10 positions for fixing nuts and bolts. The goal of the system is to classify an impedance curve in the condition of the aluminum bar if there is or not a damage to the structure and, in case of the existence of damage, indicating their position in the aluminum bar and if the damage is severe or not. The following classifiers were used in this work: support vector machine, artificial neural networks and K nearest neighbors.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O câncer de mama é um problema de saúde pública e possui a maior incidência e mortalidade na população feminina em todo o mundo. A detecção precoce do câncer de mama é essencial para redução da morbidade e mortalidade associadas a esta doença. Alguns dos métodos usados para detecção dos tumores mamários são a ultrassonografia, a imagem por ressonância magnética (MRI), a tomografia por emissão de pósitrons (PET), a tomossíntese e a mamografia, recomendada como técnica de rastreamento. Cada um dos métodos apresenta vantagens e desvantagens, como provocar desconforto ao paciente durante a realização dos exames, possíveis reações ao agente de contraste, emissão de radiação, dependência do operador para análise dos resultados, dificuldade de detecção em tecidos densos, falta de acessibilidade para pessoas com deficiência ou baixa mobilidade, alto custo e produção de rejeitos radioativos. O objetivo principal deste trabalho é aplicar os métodos de impedância eletromecânica e térmica na detecção de inclusões para que possam ser futuramente usados como técnicas alternativas às já existentes na identificação de tumores mamários. A aplicação do método da impedância eletromecânica que utiliza transdutores piezelétricos, atuando simultaneamente como sensor e atuador, acoplados à estrutura analisada permite o monitoramento das mudanças da massa, rigidez e/ou amortecimento e a consequente detecção da inclusão. O mesmo procedimento é aplicado no método da impedância térmica que, por sua vez, consiste na razão entre a variação da resposta da temperatura superficial da estrutura em função da aplicação de um fluxo de calor externo. A detecção das inclusões torna-se possível devido a definições de métricas de dano que são parâmetros estatísticos capazes de representar numericamente a diferença entre duas medições antes e após o dano. A metodologia proposta é validada experimentalmente através da aplicação em materiais hiperplásticos de geometria simples e complexa. Amostras de silicone e modelos de aplicação médica são analisadas. Os métodos de impedância propostos apontaram, preliminarmente, para uma maior sensibilidade da técnica a inclusões menores, de 10 mm de diâmetro para os testes realizados. Além disso, observou-se que o aquecimento externo imposto aos modelos e a presença de geração de calor nas inclusões auxiliou na detecção. Um teste qualitativo foi realizado in vivo para a análise do potencial de uso da impedância eletromecânica em aplicações clínicas. Este trabalho apresenta contribuições importantes, não só no campo da engenharia biomecânica, mas também na análise do comportamento estrutural, ampliando as aplicações de técnicas de dano em materiais hiperelásticos, assim como, propondo o uso da impedância térmica como um novo parâmetro para identificação de inclusões ou falhas estruturais em ensaios não destrutivos. / Breast cancer is a public health problem and has the highest incidence and mortality in the female population worldwide. Early detection of breast cancer is essential for reducing the morbidity and mortality associated with this disease. Some of the methods used to detect breast tumors are ultrasonography, magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), tomosynthesis and mammography, which is recommended as a screening technique. Each method has its advantages and disadvantages, such as discomfort to the patient during the exams, possible reactions to the contrast agent, radiation emission, operator dependence for the analysis of results, difficulty for detection in dense tissues, lack of accessibility for people with disabilities or low mobility, high cost and radioactive waste production. The main objective of this work is to apply the electromechanical and thermal impedance methods in the detection of inclusions, in order to be used, in the future, as alternative techniques to those already existent for the identification of breast tumors. The application of the electromechanical impedance method using piezoelectric transducers, acting simultaneously as a sensor and actuator, coupled to the analyzed structure allows the monitoring of mass, rigidity and/or damping variations, and consequent detection of the inclusion. The same procedure is applied in the thermal impedance method, which consists of the ratio between the gradient of the surface temperature response of the structure as a function of the application of an external heat flow. The detection of inclusions is possible due to the damage metrics that are statistical parameters capable of numerically representing the difference between two measurements before and after the damage. The proposed methodology is validated experimentally through the application in hyperplastic materials of simple and complex geometry. Silicone samples and medical application models are analyzed. The proposed impedance methods preliminarily presented a higher sensitivity of the technique to smaller inclusions of 10 mm in diameter for the tests performed. In addition, it was observed that the external heating imposed on the models and the presence of heat generation in the inclusions aided in the detection. A qualitative test was performed in vivo to analyze the potential of the use of electromechanical impedance in clinical applications. This work presents important contributions not only in the field of biomechanical engineering, but also in the analysis of structural behavior, expanding the applications of damage techniques in hyperelastic materials, as well as proposing the use of thermal impedance as a new parameter for identification of inclusions or structural failures in nondestructive testing. / Tese (Doutorado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The basic concept of impedance-based structure health monitoring is measuring the variation of the electromechanical impedance of the structure as caused by the presence of damage by using patches of piezoelectric material bonded on the surface of the structure (or embedded into). The measured electrical impedance of the PZT patch is directly related to the mechanical impedance of the structure. That is why the presence of damage can be detected by monitoring the variation of the impedance signal. In order to quantify damage, a metric is specially defined, which allows to assign a characteristic scalar value to the fault. This study initially evaluates the influence of environmental conditions in the impedance measurement, such as temperature, magnetic fields and ionic environment. The results show that the magnetic field does not influence the impedance measurement and that the ionic environment influences the results. However, when the sensor is shielded, the effect of the ionic environment is significantly reduced. The influence of the sensor geometry has also been studied. It has been established that the shape of the PZT patch (rectangular or circular) has no influence on the impedance measurement. However, the position of the sensor is an important issue to correctly detect damage. This work presents the development of a low-cost portable system for impedance measuring to automatically measure and store data from 16 PZT patches, without human intervention. One fundamental aspect in the context of this work is to characterize the damage type from the various impedance signals collected. In this sense, the techniques of artificial intelligence known as neural networks and fuzzy cluster analysis were tested for classifying damage of aircraft structures, obtaining satisfactory results. One last contribution of the present work is the study of the performance of the electromechanical impedance-based structural health monitoring technique to detect damage in structures under dynamic loading. Encouraging results were obtained for this aim. / O conceito básico da técnica de integridade estrutural baseada na impedância tem a ver com o monitoramento da variação da impedância eletromecânica da estrutura, causada pela presença alterações estruturais, através de pastilhas de material piezelétrico coladas na superfície da estrutura ou nela incorporadas. A impedância medida se relaciona com a impedância mecânica da estrutura. A partir da variação dos sinais de impedância pode-se concluir pela existência ou não de uma falha. Para quantificar esta falha, métricas de dano são especialmente definidas, permitindo atribuir-lhe um valor escalar característico. Este trabalho pretende inicialmente avaliar a influência de algumas condições ambientais, tais como os campos magnéticos e os meios iônicos na medição de impedância. Os resultados obtidos mostram que os campos magnéticos não tem influência na medição de impedância e que os meios iônicos influenciam os resultados; entretanto, ao blindar o sensor, este efeito se reduz consideravelmente. Também foi estudada a influencia da geometria, ou seja, do formato do PZT e da posição do sensor com respeito ao dano. Verificou-se que o formato do PZT não tem nenhuma influência na medição e que a posição do sensor é importante para detectar corretamente o dano. Neste trabalho se apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de impedância de baixo custo e portátil que tem a capacidade de medir e armazenar a medição de 16 PZTs sem a necessidade de intervenção humana. Um aspecto de fundamental importância no contexto deste trabalho é a caracterização do dano a partir dos sinais de impedância coletados. Neste sentido, as técnicas de inteligência artificial conhecidas como redes neurais e análises de cluster fuzzy, foram testadas para classificar danos em estruturas aeronáuticas, obtendo resultados satisfatórios para esta tarefa. Uma última contribuição deste trabalho é o estudo do comportamento da técnica de monitoramento de integridade estrutural baseado na impedância eletromecânica na detecção de danos em estruturas submetidas a carregamento dinâmico. Os resultados obtidos mostram que a técnica funciona adequadamente nestes casos. / Doutor em Engenharia Mecânica