The material presented in this thesis uses concepts of the finite element and doublet panel methods to develop a structural-aerodynamic coupled mathematical model for the analysis of a morphing wing tip composed of smart materials. Much research is currently being performed within many facets of engineering on the use of smart or intelligent materials. Examples of the beneficial characteristics of smart materials might include altering a structure's mechanical properties, controlling its dynamic response(s) and sensing flaws that might progressively become detrimental to the structure. This thesis describes a bio-inspired adaptive structure that will be used in morphing an aircraft's wing tip. The actuation system is derived from individual flexible matrix composite tube actuators embedded in a matrix medium that when pressurized, radical structural shape change is possible. A driving force behind this research, as with any morphing wing related studies, is to expand the limitations of an aircraft's mission, usually constrained by the wing design. Rather than deploying current methods of achieving certain flight characteristics, changing the shape of a wing greatly increases the flight envelope. This thesis gives some insight as to the structural capability and limitations using current numerical methods to model a morphing wing in a flow. / Master of Science

Os avanços da indústria aeronáutica têm sido garantidos pelo emprego de tecnologias inovadoras. Para controle aeroelástico o conceito de estrutura inteligente tem ganho cada vez mais espaço. Uma estrutura inteligente é um sistema de controle estrutural onde elementos estruturais, sensores, atuadores, leis de controle, eletrônica associada e processamento de sinais estão altamente integradas garantindo aumento de desempenho. Os desenvolvimentos nesta área têm sido muito animadores e envolve uma série de disciplinas. Nesse contexto, o presente trabalho tem como meta estudar uma estrutura inteligente onde a lei de controle é representada através da lógica difusa. Esse método não convencional de controle tem proporcionado avanços no trato de sistemas complexos, não lineares e com parâmetros imprecisos e ambíguos. Um modelo em elementos finitos de uma viga inteligente com atuadores piezelétricos incorporados é desenvolvido. O modelo baseia-se nas hipóteses de viga Euler-Bernoulli e no princípio variacional eletromecânico. O modelo em elementos finitos é validado para garantir o uso no projeto do controlador não convencional. Estratégias de controle não convencional baseadas em dois tipos de metodologia difusa para controle, isto é, modelo de Mamdani e de Takagi-Sugeno-Kang, são estudas. O controlador difuso é aplicado para reduzir a resposta vibratória da viga inteligente quando submetida a distúrbios mecânicos externos. Um estudo comparativo das duas metodologias de controlador difuso é realizado e discutido. Os resultados satisfatórios alcançados mostram que o uso de controladores difusos para alívio de vibrações em vigas com atuadores piezelétricos é apropriado. Também se observou que o modelo Takagi-Sugeno-Kang é o que mais se ajustou as necessidades e requerimentos do problema. / The advances in aeronautical industry have been ensured by the application of novel technologies. For aeroelastic control the intelligent structure concept has become increasingly important. An intelligent structure is a structural control system in which structural elements, sensors, actuators, control laws, associated electronics, and signal processing are highly integrated providing better performance. The developments in this area have been encouraging and multi-disciplinar. In this context, this work aims studying control laws for intelligent structures represented through the fuzzy logic. This non-conventional method for control has provided advances in treating complex, non-linear, imprecise, and ambiguous systems.A finite element model of an intelligent beam with piezoelectric actuators is developed. The model is based in the assumptions of an Euler-Bernoulli beam and the electromechanic variational principle. The finite element model is validated to ensure its use in non-conventional control design. Non-conventional control strategies based on the two fuzzy control methodologies, that are, the Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang models, are investigated. The fuzzy control is applied to reduce the vibratory response of the intelligent beam due to external mechanical disturbances. A comparison between the two fuzzy control methodologies is shown and discussed. The satisfactory results achieved by this work have shown that the application of fuzzy control for the alleviation of vibrations in beams with piezoelectric actuators is appropriate. It is also observed that the Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model has presented a better performance when compared with the Mamdani one.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-10-31Bitstream added on 2014-06-13T19:55:36Z : No. of bitstreams: 1 carvalhal_r_me_ilha.pdf: 892699 bytes, checksum: 6654a8de1bfad0655527d3268f00f2f1 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o desenvolvimento analítico da modelagem de estruturas flexíveis do tipo treliça com o objetivo de atenuação de vibrações através do uso de técnicas de controle ativo. Atuadores de pilha piezelétricos são usados para exercer as forças de controle na estrutura, os quais substituem barras inteiras ou somente uma parte delas. Estes tipos de atuadores, também, satisfazem a necessidade de obtenção de estruturas leves. O posicionamento ótimo desses atuadores e de sensores é encontrado através da norma Hx, que é usada como função objetivo. Como técnica de controle é aplicado o Controle no Espaço Modal Independente (IMSC), no qual os estados são estimados por um estimador modal e são realimentados de acordo com a teoria de controle ótimo, o Regulador Linear Quadrático (LQR). O IMSC é eficiente computacionalmente mesmo aplicado a sistemas de alta ordem e também reduz os efeitos de spillover. Uma melhoria do IMSC, o Controle Modal Eficiente (EMC) também é apresentado com o propósito de reduzir as amplitudes das forças de controle. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores de pilhas piezelétricos e a estrutura base. O projeto de uma treliça espacial, o posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas. Os resultados mostram que ambos os controladores aumentam o amortecimento da estrutura e, ainda, o EMC reduz as amplitudes das forças de controle. / This work presents the analytic development of the modeling of flexible truss structures with the aim to suppress the mechanical vibration using active control techniques. Piezoelectric stack actuators are used to produce control force in the structure, which can replace an entire bar or can be coupled to structural members. They also satisfy the necessity to obtain lighter structures. The optimal placement of actuators and sensors is found through the Hã norm as objective function. As control technique is presented the Independent Modal Space Control (IMSC), in which a modal estimator is used and the Linear Quadratic Regulator (LQR) feedback the estimated states according the optimal control theory. IMSC is computationally efficient also applied in high order system and reduces the negative effects of the control and observer spillover. An improvement in the IMSC is the Efficient Modal Control (EMC) that is proposed to reduce the amplitudes of control forces. The mathematical model of the intelligent structure is obtained from Finite Elements Method (FEM) considering the electromechanical coupling between the piezoelectric stack actuators and the base structure. The design of a space truss structure, the optimal placement of active members and the active damping vibration control is numerically implemented. Two control techniques are tested and compared: IMSC and EMC. Results show that the controllers increase the damping of the structure noticeably. The EMC controller provides better performance, reducing the amplitudes of control forces.

Os avanços da indústria aeronáutica têm sido garantidos pelo emprego de tecnologias inovadoras. Para controle aeroelástico o conceito de estrutura inteligente tem ganho cada vez mais espaço. Uma estrutura inteligente é um sistema de controle estrutural onde elementos estruturais, sensores, atuadores, leis de controle, eletrônica associada e processamento de sinais estão altamente integradas garantindo aumento de desempenho. Os desenvolvimentos nesta área têm sido muito animadores e envolve uma série de disciplinas. Nesse contexto, o presente trabalho tem como meta estudar uma estrutura inteligente onde a lei de controle é representada através da lógica difusa. Esse método não convencional de controle tem proporcionado avanços no trato de sistemas complexos, não lineares e com parâmetros imprecisos e ambíguos. Um modelo em elementos finitos de uma viga inteligente com atuadores piezelétricos incorporados é desenvolvido. O modelo baseia-se nas hipóteses de viga Euler-Bernoulli e no princípio variacional eletromecânico. O modelo em elementos finitos é validado para garantir o uso no projeto do controlador não convencional. Estratégias de controle não convencional baseadas em dois tipos de metodologia difusa para controle, isto é, modelo de Mamdani e de Takagi-Sugeno-Kang, são estudas. O controlador difuso é aplicado para reduzir a resposta vibratória da viga inteligente quando submetida a distúrbios mecânicos externos. Um estudo comparativo das duas metodologias de controlador difuso é realizado e discutido. Os resultados satisfatórios alcançados mostram que o uso de controladores difusos para alívio de vibrações em vigas com atuadores piezelétricos é apropriado. Também se observou que o modelo Takagi-Sugeno-Kang é o que mais se ajustou as necessidades e requerimentos do problema. / The advances in aeronautical industry have been ensured by the application of novel technologies. For aeroelastic control the intelligent structure concept has become increasingly important. An intelligent structure is a structural control system in which structural elements, sensors, actuators, control laws, associated electronics, and signal processing are highly integrated providing better performance. The developments in this area have been encouraging and multi-disciplinar. In this context, this work aims studying control laws for intelligent structures represented through the fuzzy logic. This non-conventional method for control has provided advances in treating complex, non-linear, imprecise, and ambiguous systems.A finite element model of an intelligent beam with piezoelectric actuators is developed. The model is based in the assumptions of an Euler-Bernoulli beam and the electromechanic variational principle. The finite element model is validated to ensure its use in non-conventional control design. Non-conventional control strategies based on the two fuzzy control methodologies, that are, the Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang models, are investigated. The fuzzy control is applied to reduce the vibratory response of the intelligent beam due to external mechanical disturbances. A comparison between the two fuzzy control methodologies is shown and discussed. The satisfactory results achieved by this work have shown that the application of fuzzy control for the alleviation of vibrations in beams with piezoelectric actuators is appropriate. It is also observed that the Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model has presented a better performance when compared with the Mamdani one.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Marcus Antonio Viana Duarte / Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento analítico da modelagem de estruturas flexíveis do tipo treliça com o objetivo de atenuação de vibrações através do uso de técnicas de controle ativo. Atuadores de pilha piezelétricos são usados para exercer as forças de controle na estrutura, os quais substituem barras inteiras ou somente uma parte delas. Estes tipos de atuadores, também, satisfazem a necessidade de obtenção de estruturas leves. O posicionamento ótimo desses atuadores e de sensores é encontrado através da norma Hx, que é usada como função objetivo. Como técnica de controle é aplicado o Controle no Espaço Modal Independente (IMSC), no qual os estados são estimados por um estimador modal e são realimentados de acordo com a teoria de controle ótimo, o Regulador Linear Quadrático (LQR). O IMSC é eficiente computacionalmente mesmo aplicado a sistemas de alta ordem e também reduz os efeitos de spillover. Uma melhoria do IMSC, o Controle Modal Eficiente (EMC) também é apresentado com o propósito de reduzir as amplitudes das forças de controle. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores de pilhas piezelétricos e a estrutura base. O projeto de uma treliça espacial, o posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas. Os resultados mostram que ambos os controladores aumentam o amortecimento da estrutura e, ainda, o EMC reduz as amplitudes das forças de controle. / Abstract: This work presents the analytic development of the modeling of flexible truss structures with the aim to suppress the mechanical vibration using active control techniques. Piezoelectric stack actuators are used to produce control force in the structure, which can replace an entire bar or can be coupled to structural members. They also satisfy the necessity to obtain lighter structures. The optimal placement of actuators and sensors is found through the Hã norm as objective function. As control technique is presented the Independent Modal Space Control (IMSC), in which a modal estimator is used and the Linear Quadratic Regulator (LQR) feedback the estimated states according the optimal control theory. IMSC is computationally efficient also applied in high order system and reduces the negative effects of the control and observer spillover. An improvement in the IMSC is the Efficient Modal Control (EMC) that is proposed to reduce the amplitudes of control forces. The mathematical model of the intelligent structure is obtained from Finite Elements Method (FEM) considering the electromechanical coupling between the piezoelectric stack actuators and the base structure. The design of a space truss structure, the optimal placement of active members and the active damping vibration control is numerically implemented. Two control techniques are tested and compared: IMSC and EMC. Results show that the controllers increase the damping of the structure noticeably. The EMC controller provides better performance, reducing the amplitudes of control forces. / Mestre