Orientador: Vicente Lopes Júnior / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: Marcelo Areias Trindade / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo e desenvolvimento de técnicas para o monitoramento da integridade estrutural em sistemas inteligentes com sensores e atuadores piezelétricos acoplados. Os índices de sensibilidade estudados e utilizados no monitoramento da estrutura são: índice de falha métrica, calculado diretamente do sinal de impedância elétrica dos sensores/atuadores piezelétricos; índices do sensor, calculados com as normas de sistemas ou com as matrizes grammiana de observabilidade e os índices de entrada, calculados com as matrizes grammianas de controlabilidade. Tais índices são utilizados para detectar e localizar as falhas em aplicações numéricas e experimentais. As normas de sistemas e as matrizes grammianas de controlabilidade e observabilidade são obtidas através de um modelo numérico, como por exemplo, Método dos Elementos Finitos; ou um modelo identificado experimentalmente, via o método de realização para autossistemas, mais conhecido como ERA (Eigensytem Realization Algorithm). Em uma segunda etapa do procedimento proposto, as falhas são quantificadas utilizando Redes Neurais Artificiais, que foram treinadas com as normas de sistemas e com as matrizes grammianas. / Abstract: This work presents the study and development of Structural Health Monitoring techniques for application in intelligent systems with coupled piezoelectric sensors and actuators. The indices of sensitivity for structural monitoring are based on: root-means-square deviation index, directly calculated from electric impedance signal of the piezoelectric sensors/actuators; sensor indices, calculated from system norms or observability grammian matrix, and input index, calculated from controllability grammian matrix. Such indices are used for damage detection and location in numerical and experimental applications. System norms, controllability and observability grammian matrices are obtained through numerical model, as for instance, Finite Element Method; or by experimental identification technique, via Eigensytem Realization Algorithm (ERA). In the second stage of the proposed procedure, damages were quantified using Artificial Neural Networks, that were trained with systems norms and grammian matrices. / Mestre

Muitas habilidades são requeridas aos engenheiros para o sucesso no âmbito do desenvolvimento de produtos. O constante lançamento de novos produtos, associado às crescentes exigências dos clientes e usuários exigem abordagens sistemáticas e proativas da engenharia de projeto. Dado que muitas falhas têm origens prematuras no ciclo de desenvolvimento, ferramentas de identificação de modos de falhas são usadas a fim de prevenir essas ocorrências. Mesmo o método mais tradicional e difundido, a Análise de Modo e Efeitos de Falha (FMEA), não é suficiente por si só. Nesse contexto, esta pesquisa objetivou avaliar o potencial de identificação de falhas potenciais da metodologia Determinação Antecipada de Falha (AFD). Essa ferramenta é derivada da Teoria de Solução Inventiva de Problemas (TRIZ) e recomendada na literatura por encorajar a criatividade sistemática em sua abordagem, porém inexistia a comprovação de sua eficácia. Dessa forma, na metodologia deste trabalho, foram desenvolvidos experimentos por meio de um minicurso teórico-prático sobre ambas ferramentas de predição de falhas (FMEA e AFD) direcionados a alunos de graduação em engenharia para capacitação e aplicação das metodologias. Os estudantes são acessíveis e bastante utilizados nas pesquisas de engenharia de projeto para validações de métodos. Os resultados foram colhidos por meio de formulários ao longo da atividade e embasaram esta pesquisa. Do total de 105 alunos de cinco universidades de Curitiba-PR, a uma significância de 5% e precisão de 9,5%, observou-se que ambas as ferramentas foram bem avaliadas. Comparada à FMEA, a ferramenta AFD foi mais recomendada para o desenvolvimento de produto (59%), enquanto que 61% sugeriram a FMEA para resolução de casos complexos. Embora a AFD tenha sido avaliada como mais robusta (50%) e tão eficiente quanto a FMEA, 60% dos estudantes afirmaram que a FMEA é de mais fácil utilização. Apesar disso, nas aplicações práticas, a AFD mostrou melhores resultados na identificação de falhas e causas potenciais, em 71% dos casos. Esses resultados evidenciaram as potencialidades, e também limitações, da metodologia AFD, mostrando-se um método alternativo e, ainda, pouco explorado na área de desenvolvimento de produto. / Many skills are required for the success of engineers in product development. The constant launch of new products, coupled with the increasing demands of customers and users, requires systematic and proactive approaches to design engineering. Because many faults have premature origins in the development cycle, failure mode identification tools are used to prevent such occurrences. Even the most traditional and widespread method, the Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), is not enough by itself. In this context, this research aimed to evaluate the potential of identification of faults by Anticipatory Failure Determination (AFD) methodology. This tool is derived from the Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ) and recommended in the literature for encouraging systematic creativity in its approach, but its evidence of effectiveness was inexistent. Thus, in the methodology of this work, experiments were developed through a theoretical-practical mini-course on both fault prediction tools (FMEA and AFD) directed to undergraduate students in engineering for training and application of methodologies. Students are accessible and widely used in design engineering surveys for method validations. The results were collected through forms throughout the activity and supported this research. From the total of 105 students from five universities in Curitiba-PR, at a significance of 5% and accuracy of 9.5%, it was observed that both tools were well evaluated. Compared to FMEA, the AFD tool was more recommended for product development (59%), while 61% suggested FMEA for complex case resolution. Although AFD was rated as more robust (50%) and as effective as FMEA, 60% of students said that FMEA is easier. Nevertheless, in practical applications, AFD showed a better results in the identification of failures and potential causes in 71% of the cases. These results evidenced the potentialities, and also counterparts, of the AFD methodology, showing an alternative method and, still, little explored in the area of product development.

Muitas habilidades são requeridas aos engenheiros para o sucesso no âmbito do desenvolvimento de produtos. O constante lançamento de novos produtos, associado às crescentes exigências dos clientes e usuários exigem abordagens sistemáticas e proativas da engenharia de projeto. Dado que muitas falhas têm origens prematuras no ciclo de desenvolvimento, ferramentas de identificação de modos de falhas são usadas a fim de prevenir essas ocorrências. Mesmo o método mais tradicional e difundido, a Análise de Modo e Efeitos de Falha (FMEA), não é suficiente por si só. Nesse contexto, esta pesquisa objetivou avaliar o potencial de identificação de falhas potenciais da metodologia Determinação Antecipada de Falha (AFD). Essa ferramenta é derivada da Teoria de Solução Inventiva de Problemas (TRIZ) e recomendada na literatura por encorajar a criatividade sistemática em sua abordagem, porém inexistia a comprovação de sua eficácia. Dessa forma, na metodologia deste trabalho, foram desenvolvidos experimentos por meio de um minicurso teórico-prático sobre ambas ferramentas de predição de falhas (FMEA e AFD) direcionados a alunos de graduação em engenharia para capacitação e aplicação das metodologias. Os estudantes são acessíveis e bastante utilizados nas pesquisas de engenharia de projeto para validações de métodos. Os resultados foram colhidos por meio de formulários ao longo da atividade e embasaram esta pesquisa. Do total de 105 alunos de cinco universidades de Curitiba-PR, a uma significância de 5% e precisão de 9,5%, observou-se que ambas as ferramentas foram bem avaliadas. Comparada à FMEA, a ferramenta AFD foi mais recomendada para o desenvolvimento de produto (59%), enquanto que 61% sugeriram a FMEA para resolução de casos complexos. Embora a AFD tenha sido avaliada como mais robusta (50%) e tão eficiente quanto a FMEA, 60% dos estudantes afirmaram que a FMEA é de mais fácil utilização. Apesar disso, nas aplicações práticas, a AFD mostrou melhores resultados na identificação de falhas e causas potenciais, em 71% dos casos. Esses resultados evidenciaram as potencialidades, e também limitações, da metodologia AFD, mostrando-se um método alternativo e, ainda, pouco explorado na área de desenvolvimento de produto. / Many skills are required for the success of engineers in product development. The constant launch of new products, coupled with the increasing demands of customers and users, requires systematic and proactive approaches to design engineering. Because many faults have premature origins in the development cycle, failure mode identification tools are used to prevent such occurrences. Even the most traditional and widespread method, the Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), is not enough by itself. In this context, this research aimed to evaluate the potential of identification of faults by Anticipatory Failure Determination (AFD) methodology. This tool is derived from the Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ) and recommended in the literature for encouraging systematic creativity in its approach, but its evidence of effectiveness was inexistent. Thus, in the methodology of this work, experiments were developed through a theoretical-practical mini-course on both fault prediction tools (FMEA and AFD) directed to undergraduate students in engineering for training and application of methodologies. Students are accessible and widely used in design engineering surveys for method validations. The results were collected through forms throughout the activity and supported this research. From the total of 105 students from five universities in Curitiba-PR, at a significance of 5% and accuracy of 9.5%, it was observed that both tools were well evaluated. Compared to FMEA, the AFD tool was more recommended for product development (59%), while 61% suggested FMEA for complex case resolution. Although AFD was rated as more robust (50%) and as effective as FMEA, 60% of students said that FMEA is easier. Nevertheless, in practical applications, AFD showed a better results in the identification of failures and potential causes in 71% of the cases. These results evidenced the potentialities, and also counterparts, of the AFD methodology, showing an alternative method and, still, little explored in the area of product development.

The dynamic behavior of a cracked shaft was studied both in run-up and run-down transient motion. A mathematical model of the shaft was developed , and experimental tests were performed in order to validate the model. A experimental testing rig was conducted, containing an horizontal flexible rotor with a rigid disc in the mid point between the bearings. Experimental and theo retical responses were compared for both cracked and uncracked shafts. All tests were done for several acceleration rates and unbalance conditions. For the theoretical study of dynamic response of the cracked shaft, the stiffness matrix for a cracked element was deduced, using the modified crack Model of Mayes. The rotor model was obtained by using the finite elements method. The equations of motion were integrated in the time domain by using Newmark method to obtain the transient response. Comparing theoretical and experimental results validated the model. For this purpose, the modified Mayes model was used to represent the dynamic response of the crached shaft. Further simulations were conducted to study the influence of acceleration rates, unbalance amplitude /orientation and crack severity on the response of a cracked shaft, running on transient mo tion. / Neste trabalho apresenta -se um estudo do comportamento dinâmico de um rotor com trinca no regime transiente, tanto na parada como na partida. Foi desenvolvido um modelo matemático -computacional de um rotor com trinca e foram também realizados testes experimentais com vistas à validação do modelo. Para o estudo experimental, foi construida uma bancada constituida por um rotor flexível horizontal com um disco rígido montado na posição média do comprimento. A resposta experimental do rotor foi comparada para os casos com e sem trinca. Para tanto, foram usados dois eixos, um com trinca e, o outro, sem trinca. Os testes experimentais foram feitos para diferentes taxas de aceleração e condições de desbalanceamento. Para o estudo teórico da resposta dinâmica do rotor com trinca, foi determinada a matriz de flexibilidade para um elemento com falha, uma vez aplicado o modelo de trinca de Mayes modificado. O modelo do rotor foi obtido através do método dos elementos finitos, e para o cálculo da resposta dinâmica no regime transiente foi utilizado o método de integração numérica de Newmark. O modelo foi validado mediante a comparação dos resultados teóricos com os experimentais, tendo sido mostrado que o Modelo de Mayes modificado representa adequadamente o comportamento dinâmico de um rotor com trinca. Foram feitas simulações para estudar a influência das taxas de aceleração, da intensidade do desbalanceamento presente no sistema e da severidade da trinca sobre o comportamento do rotor com trinca no regime transiente. / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Milton Dias Junior e Vicente Lopes Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-10T04:58:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_Samuelda_D.pdf: 9025537 bytes, checksum: ac86884d08ba00adbf77aeac335e7acc (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A contribuição deste trabalho foi desenvolver uma metodologia para detecção e localização de danos considerando apenas respostas de deslocamento ou aceleração e medidas obtidas por atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) distribuídos e colados em estruturas flexíveis. Modelos de filtros discretos do tipo auto-regressivos, como AR-ARX, ARMA e ARMAX, são usados para extrair um indicador de danos a partir dos erros de predição linear destes filtros. Investiga-se também o uso de séries discretas de Wiener/Volterra escritas com filtros de Kautz para obtenção de erros de predição não-lineares. Para classificar os erros de predição (lineares ou não-lineares) nas classes ¿sem dano¿ ou ¿com dano¿ comparou-se o uso de ferramentas não-supervisionadas de classificação de padrões estatísticos, como agrupamento fuzzy e controle estatístico de processos. Testes numéricos e experimentais foram realizados e os resultados alcançados com a metodologia desenvolvida apresentaram vantagens em relação aos métodos convencionais que são discutidas no decorrer do trabalho / Abstract: This work proposes a novel approach to detect and locate incipient damage in structures by using only acceleration responses and coupled piezoelectric actuators and sensors. Though the major focus in smart damage detection is given by on the monitoring of the electrical impedance in the frequency domain, the current contribution applies a novel technique based on time series analysis. Regressive models, such as AR-ARX, ARMA and ARMAX, are employed to extract a feature index using the linear prediction errors. The use of nonlinear prediction by using discrete-time Wiener/Volterra models expanded by Kautz filter is also investigated. In order to decide correctly whether damage exists or not, a set of unsurpervised statistical pattern recognition techniques, namely the fuzzy clustering and the statistical process control, are implemented. Several numerical and experimental tests are performed to illustrate and compare the methodology developed with classical approaches. The efficacy of the approach is demonstrated through these tests / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T17:08:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlvesJunior_MarcoAntoniodeOliveira_D.pdf: 2426154 bytes, checksum: bc1d1ecd78ca881b519a4e56c9383c8f (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta monografia apresenta uma arquitetura para aplicação de Controle Tolerante a Falhas, seguindo uma abordagem de dupla malha de realimentação. A primeira malha apresenta um controlador regular, e a segunda segue uma estratégia de controle adaptativa baseada em rede neural, que faz uso de um mecanismo de ajustes de pesos em tempo real. O primeiro controlador foi escolhido como um projeto de controlador baseado em norma H?, objetivando estabilizar o sistema e garantir o bom desempenho na presença de erros de modelagem e distúrbios externos. O controlador tolerante a falhas, que atua complementarmente à malha externa, é o controlador que usa a técnica neuroadaptativa. A rede neural possui estados internos recorrentes, usando uma superfície de deslizamento para adaptar os seus pesos, de modo a acomodar as possíveis falhas. Também apresenta robustez contra as perturbações externas, além da capacidade do controlador regular. Uma nova topologia de dinâmica da rede neural, com estados internos recursivos e aprendizado em tempo-real, é proposta, e a estabilidade do sistema é provada com base em uma função de Lyapunov e em requisitos predefinidos. Para avaliar o método, foi usado um modelo matemático de um veículo aéreo não tripulado do tipo quadrirrotor. Os resultados simulados, com o sistema submetido a vários tipos de condições de falha, são apresentados, mostrando o bom desempenho da configuração proposta / Abstract: This monograph presents an architecture scheme for Fault Tolerant Control applications, following a dual-loop controller design approach, where the first closed loop is a regular controller and the second one is based on a neural network adaptive control strategy, with on-line adjustment of the weights. The first controller, which was here chosen as an H? norm designed controller, aims stabilize the system, and guarantee a good performance in presence of modeling errors and external disturbances. The fault tolerant controller, acting complementarily to the external loop, is the one using the neuro-adaptive technique. Its design is based on recurrent internal states, using a sliding surface to adapt the weights of the neural network, in order to accommodate the system faults, but also with a robust effect which includes correcting all external perturbations, beyond the capacity of the regular controller. A new neural network dynamic topology, with internal recursive states and on-line learning algorithm, is proposed, and its stability is proved based on a Lyapunov function and predefined requirements. To assess the method, an unmanned quad rotor flying vehicle is modeled, and the respective controllers designed. Results based on numerical simulation, with the system submitted to several different fault conditions, are presented, showing a good performance of the proposed configuration / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Elias Basile Tambourgi, Sergio Ricardo Lourenço / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-11T04:10:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BertoJunior_CarlosAntonio_M.pdf: 2955531 bytes, checksum: cfd5bb39409050bc06069b54171a03f9 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O gás natural possui alguns contaminantes que, além de serem corrosivos, comprometem a qualidade para o consumo. Dessa forma, a condensação de água residual no gás pode iniciar um processo corrosivo localizado, que pode acarretar prejuízo à estrutura dos gasodutos. Devido à grande extensão dos dutos os corrosivos comprometem a qualidade do gás e causam grandes transtornos de ordem operacional. Para avaliar a redução da espessura da parede metálica do duto, proveniente de efeitos corrosivos, e identificar fissuras e outras nãoconformidades, é fundamental que seja feito o monitoramento contínuo e que se utilizem técnicas e métodos de manutenção preditiva. Atualmente as técnicas adotadas para tal avaliação consistem na inclusão de um corpo de prova, conhecido como pipeline inspection gauge (PIG), com varredura por meio de ultra-som, termografia, sensores ópticos, sensores de efeito Hall e sensores para análise de resistência elétrica, além de levantamentos de campo especiais realizados sobre a superfície do solo. Assim, o presente trabalho teve como norteador a otimização do processo de detecção, com vistas à redução de custos e precisão na identificação das falhas. Para tal, foi implementado um PIG autônomo para o monitoramento contínuo da região interna dos dutos dotado de câmeras infra-vermelho, o que diferencia este equipamento dos atuais para o mesmo fim. As câmeras fornecem imagens que são processadas digitalmente e gravadas em uma memória não-volátil presente no equipamento. Um software é utilizado para verificar as imagens e, ao mesmo tempo, identificar as não-conformidades presentes. Estas informações serão utilizadas como orientador na tomada de decisão acerca do processo de manutenção que deverá ser utilizado para a solvência dos problemas encontrados / Abstract: Natural gas has hazardous contaminants that, besides being corrosive, compromise the quality for the consumption. For in such a way the present residual water condensation in the gas can start a local corrosive process, which could cause damage to the structure of the gas ducts. Due to the great length of a gas duct, corrosive components decrease its quality and cause great operational problems. To evaluate the reduction of the metallic wall thickness for duct, proceeding from corrosive effect, and to identify to fictions and other notconformity, it is basic that the continuous monitoring is made and that techniques and methods of predictive maintenance are used. Currently the techniques adopted for such evaluation consist the inclusion of a body test, known as pipeline inspection gauge (PIG), with sweepings by means of ultrasound, thermograph, optical sensor, hall-effect and analysis of electric resistance, beyond carried through special surveys of field on the surface of the ground. Thus, the present work had as optimization of the detention process, with sights to the reduction of costs and precision in the identification of imperfections. For such, a PIG independent for the continuous monitoring for internal region in ducts was implemented endowed with cameras infra-red, what it the same differentiates this equipment of the current ones for end. The cameras supply recorded images that are processed digitally and in a present not-volatile memory in the equipment. A software is used to verify the images and, at the same time, to identify to notconformity gifts. These information will be used as orienting in the taking of decision concerning the maintenance process that will have to be used for the solution of the joined problems / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T00:41:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Foresti_BernardoPereira_M.pdf: 7267999 bytes, checksum: 1a200bffc0e39d2a529a64080b7ddad0 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho buscou-se desenvolver uma metodologia que se valendo de dados de vibração estrutural de carcaça e da operação de uma bomba do bombeio centrífugo submerso (BCS) fosse capaz de identificar parâmetros da operação deste tipo de máquina, tais como: vazão mássica de líquido e gás, diferença de pressão, eficiência e potência mecânica. Para isso foram adaptados os seguintes métodos de diagnóstico de falhas: Método Baseado na Densidade Espectral de Potência, Método Baseado na Função Resposta em Frequência, Método Baseado na Medida de Coerência, Métodos Baseados nos Parâmetros do Modelo (Geométrico e Não-geométrico), Métodos Baseados nos Resíduos do Modelo (Baseado na Variância e Auto-covariância dos Resíduos) e Método Baseado em Modelos Funcionais. Tais métodos requerem a organização de um banco de dados, na fase de levantamento de referências utilizado para comparação com dados obtidos na fase de inspeção, visando à detecção, identificação e estimação da magnitude das falhas e defeitos, conceitos adaptados para o problema apresentado neste trabalho. A metodologia foi aplicada a dois casos: o primeiro, numérico, baseado em dados obtidos da simulação de um sistema de três graus de liberdade foi utilizado para operacionalização da metodologia e antecipação de problemas e dificuldades em sua aplicação. O segundo, experimental, principal foco deste trabalho, baseado em uma bomba utilizada no bombeio centrífugo submerso. Para aplicação da metodologia ao caso experimental, foi elaborado experimento utilizando uma bomba do BCS de quatro estágios instrumentada operando com escoamento bifásico ar-água em diferentes proporções. Resultados indicaram bom desempenho na detecção do tipo de escoamento (monofásico/bifásico), na identificação da vazão mássica de gás escoado e na estimação da vazão de líquido transportado pelo BCS / Abstract: In this research a method using structural vibration and operational data of a pump module normally used with and electrical submersible pump (ESP) has been developed to identify operational parameters, such as: liquid and gas flow rate, differential pressure, efficiency and shaft power. To this end, the following time-series fault detection and identification (FDI) methods were adapted: Power Spectral Density-based Method, Frequency Response Function-based Method, Coherence Measure-based Method, Parameter-based Method (Geometric and Non-geometric), Residual-based Methods (Residual Variance and Residual Uncorrelatedness) and Functional Model-based Method. For FDI, the methods require the set-up of a data base, in the baseline phase used for comparison with data obtained during inspection. The methodology was applied for two cases: A numerical problem based on a three degrees of freedom system, aiming at making functional the programs used and anticipating problematic issues and experimental data from a real ESP pump module, main focus of this work. The experiment consists of measuring structural vibration, and operational data of an ESP pump while varying liquid and gas flow rates keeping shaft speed and suction pressure constant. Results have indicated successful detection of flow type (monophasic/biphasic), identification of the gas flow and estimation of the liquid flow pumped by the ESP pump / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T08:19:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Genari_HeloiFranciscoGentil_M.pdf: 1362304 bytes, checksum: c4c7788d0595b23a9e9f97011fa6ed8f (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Para cumprir requisitos de segurança, aumentar a vida útil de estruturas e reduzir os custos de manutenção, métodos de detecção de danos e de monitoramento da integridade de estruturas (SHM) têm recebido grande atenção da comunidade científica nas últimas décadas. Neste contexto, várias técnicas diferentes para detecção de danos foram propostas, mas algoritmos eficientes e práticos são ainda temas muito pesquisados. Neste trabalho, estudam-se a métrica cepstral e a métrica por subespaços para a detecção de danos. Essas métricas calculam a distância entre dois modelos autorregressivos (AR). A distância entre os modelos AR, derivados a partir das séries temporais dos sinais de vibrações das estruturas com e sem danos utilizando identificação por subespaços, deve ser correlacionada com a informação do dano, incluindo sua severidade e localização. Assim, as distâncias calculadas utilizando-se as métricas são consideradas indicadores de danos. Para validar os dois indicadores, dois experimentos foram realizados. O primeiro consistiu em três vigas similares de alumínio, uma íntegra e duas contendo falhas simuladas que, juntamente com duas massas de 2.5g e 8.5g, simularam quatro danos diferentes. No segundo experimento, foi utilizada uma placa de alumínio retangular e, com o auxílio de massas de 2.5g, 8.5g e 20g, foram simulados cinco danos com diferentes severidades e localizações. Os resultados dos experimentos indicaram que o cálculo das distâncias entre os modelos AR são eficientes para detecção, análise de severidade e localização de danos / Abstract: To satisfy security requirements, extend life cycle of structures and reduce maintenance costs, damage detection techniques and structural health monitoring (SHM) have received great attention from the scientific community in the last decades. In this context, several different techniques for damage detection have been proposed, but efficient and practical algorithms are yet a major research theme. Cepstral metric and subspace metric for damage detection are studied in this work. These metrics compute the distance between two auto-regressive (AR) models, derived from times series of vibration signals from structures with and without damage, and it should be correlated with information of the damage, including damage location and severity. Thus, the distances calculated using these metrics are considered damage indicators. To validate both indicators, two experiments were performed. The first one consisted of three similar beams, a healthy one and two with simulated damages, which, together with two masses of 2.5g e 8.5g, simulated four different damages. In the second experiment, it was used an rectangular aluminum plate with aid of three masses of 2.5g, 8.5g and 20g to simulate five damages with different severities and locations. The results of experiments indicated that the calculation of distances between AR models are effective for the detection, analysis of severity and location of damages / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T21:43:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leao_RodrigoJunqueira_M.pdf: 11585473 bytes, checksum: eb36aabbabd372414779881f910455a8 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Materiais compósitos são cada vez mais utilizados na indústria aeroespacial, por apresentarem baixa relação entre massa específica e resistência mecânica. Para a realização de ensaios não destrutivos utilizando o ultrassom, faz-se necessário conhecer a velocidade com que o som se propaga através desses materiais. Nem sempre é possível desenvolver protótipos reais durante o desenvolvimento de um projeto, por limitações construtivas e de custo; modelos virtuais são, pois, necessários. O objetivo deste trabalho é desenvolver modelos virtuais para avaliar a propagação de ondas em compósitos e compará-los com resultados experimentais. Uma liga de alumínio é usada inicialmente, de forma a calibrar o modelo e configurar alguns parâmetros de simulação. O material composto analisado é um laminado unidirecional, fabricado a partir de 97 camadas de material pré-impregnado (AS4/8552) da Hexcel¿. Utiliza-se o método dos elementos finitos para simular a geração, propagação e recepção de ondas ultrassônicas no modelo. O foco do estudo são ondas longitudinais de volume, embora a geração de ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr) também seja demonstrada. A razão é que o estudo é parte de uma pesquisa sobre o desenvolvimento de técnicas ultrassônicas para a medição de tensões em compósitos, utilizando Acustoelasticidade. A fim de permitir a medição da velocidade da onda ultrassônica em diferentes orientações, foi fabricado um corpo de prova em formato de prisma de base poligonal de 24 lados. O modelo numérico desenvolvido considera o caso ideal, onde as lâminas são perfeitamente coladas umas nas outras e não há problemas como delaminação ou vazios. Um modelo simplificado de cada lâmina foi admitido, de modo a utilizar uma malha menos refinada nas simulações e reduzir o gasto computacional. A fração volumétrica de reforço e matriz foi mantida. Um pulso de 1 MHz foi inserido no modelo e as discretizações no tempo e no espaço foram escolhidas de forma coerente. Simulações para o caso de 0º e 90º foram feitas e um modelo para os outros ângulos de orientação foi proposto. Os resultados mostram-se satisfatórios e indicam que, no futuro, o modelo simplificado adotado poderá ser estendido, levando em conta não conformidades e uma distribuição mais heterogênea das fibras, permitindo o desenvolvimento de ferramentas de inspeção aperfeiçoadas / Abstract: The use of composite materials in the aerospace industry is increasing due to its low ratio between density and mechanical strength. To perform non-destructive testing using ultrasound, it is necessary to know the sound velocity in these materials. It is not always possible to manufacture physical prototypes during the development of a project because of time, construction limitation and cost; virtual models are therefore needed. The objective of this work is to develop virtual models to evaluate the wave propagation in composites and compare them with experimental results. Initially, an aluminum alloy is used in order to calibrate the model and configure some simulation parameters. The composite material analyzed is a unidirectional laminate, made from 97 layers of prepreg material (AS4/8552) from Hexcel¿. We use the finite element method to simulate the generation, propagation and reception of ultrasonic waves in the model. The focus of this study is the generation of longitudinal bulk waves, although the generation of Critically Refracted Longitudinal (Lcr) waves is also demonstrated. The reason is that the study is part of an ongoing research project on the development of ultrasonic techniques for measuring residual stress in composites, using acoustoelasticity. To enable the measurement of the ultrasonic wave velocity in different orientations, we manufactured a specimen in a prismatic shape (24-sided polygonal base). The numerical model consists of the ideal case, where the different materials are completely attached to each other and there are no problems such as delamination or voids. A simplified model of each layer was admitted, to use a less refined mesh in the simulations and reduce the computational cost. The volume fraction of reinforcement and matrix was maintained. A pulse of 1 MHz was inserted into the model and the discretization both in time and space was chosen consistently. Simulations for the case of 0° and 90° were made and a model for the other orientations was proposed. The results prove to be satisfactory and indicate that in the future, the simplified model adopted could be extended, taking into account nonconformities and a more heterogeneous distribution of the fibers, allowing the development of improved inspection tools / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica