Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Mário Francisco Mucheroni / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo, a implementação e a aplicação de duas técnicas de identificação de parâmetros modais utilizando apenas as respostas da estrutura, denominadas: Identificação Estocástica de Subespaço (IES) e Decomposição no Domínio da Freqüência (DDF). A IES é baseada na Decomposição em Valores Singulares (DVS) da projeção ortogonal do espaço das linhas das saídas futuras no espaço das linhas das saídas passadas. Uma vez realizada a DVS da projeção ortogonal é possível obter o modelo de espaço de estado da estrutura e os parâmetros modais são estimados diretamente através da decomposição em autovalores e autovetores da matriz dinâmica. A DDF é baseada na DVS da matriz de densidade espectral de potência de saída nas linhas de freqüências correspondentes a região em torno de um modo. O primeiro vetor singular obtido para cada linha de freqüência contém as respectivas informações daquele modo e os correspondentes valores singulares levam a função densidade espectral de um sistema equivalente de um grau de liberdade (1GL), permitindo a obtenção dos parâmetros do respectivo modo. Os métodos são avaliados utilizando dados simulados e experimentais. Os resultados mostram que as técnicas implementadas são capazes de estimar os parâmetros modais de estruturas utilizando apenas as respostas. / Abstract: This work presents the study, implementation and application of the two techniques for the modal parameters identification using only response data: Stochastic Subspace Identification (SSI) and Frequency Domain Decomposition (FDD). The SSI is based on Singular Value Decomposition (SVD) of the orthogonal projection of the future output row space in the past output row space. After the completion of the SVD of the orthogonal projection, is possible to get the state space model of the structure and the modal parameters are estimated directly through the eigenvalues and eigenvectors decomposition of the dynamic matrix. The FDD is based on the SVD of the output power spectral density matrix in the frequencies lines around a mode. The first singular vector obtained for each frequency line contains the respective information about this mode and the corresponding spectral density function leads to an equivalent system of one degree of freedom (1 DOF), allowing the calculation of the parameters of the mode. The methods are evaluated using simulated and experimental data. The results show that the techniques implemented are capable to estimate the modal parameters of structures using only response data. / Mestre

O projeto de estruturas e máquinas deve considerar as restrições impostas pelas condições de contorno. Tais condições podem ser de natureza dinâmica, limitando assim as faixas de frequência às quais a estrutura ou máquina pode operar. Dentre as diferentes ferramentas disponíveis para trabalhar com restrições dinâmicas, a otimização de forma se mostra como uma interessante alternativa para afastar as frequências naturais das faixas problemáticas. Um modelo de elementos finitos de malha de 4x5 elementos é correlacionado com os resultados de uma análise modal experimental, e a otimização é realizada utilizando-se o software Nastran. Após usinar a placa com a espessura otimizada, boa concordância é atingida entre os resultados experimentais e os previstos numericamente. Apesar dos bons resultados, obter a placa com 4x5 elementos, cada qual com sua espessura, foi difícil por conta das dimensões envolvidas. É mais apropriado fabricar uma superfície contínua na placa com uma geometria conhecida. Para isso, modelos com malhas mais finas são necessários no procedimento de otimização, e tal quantidade de variáveis nem sempre converge a uma solução. De fato, um modelo com 48x60 elementos para a placa estudada não convergiu a uma solução para as mesmas frequências desejadas. A contribuição principal deste trabalho é mostrar que uma interpolação (linear ou cúbica) dos resultados de uma otimização de forma de malha grossa leva à solução do problema de otimização de uma malha mais refinada. Em outras palavras, é possível obter uma geometria de superfície contínua que otimiza frequências naturais em placas a partir de modelos de elementos finitos de malha mais grossa, sendo assim desnecessários modelos de malhas muito refinadas e altos custos computacionais. / The design of structures and machines must consider the restrictions imposed by the boundary conditions. Such conditions can be of dynamic nature, thus limiting the frequency ranges that the structure/machine can operate. Among the different design tools available for dealing with dynamics restrictions, shape optimization is an interesting way of deviating natural frequencies from problematic ranges. In this work, one presents the shape optimization of a cantilever plate aiming at desired natural frequencies. A 4x5 elements grid finite element model is correlated to results from experimental modal analysis, and the optimization is done with help of Nastran software. After machining the plate with optimized thickness, good agreement is achieved between experimental and numerically predicted results. Despite successful results, machining the plate in 4x5 discrete elements with individual (stepped) thickness showed to be cumbersome. It is more appropriated to machine a smooth surface on the plate with known geometry. For that, finer grid element models are necessary in the optimization procedure, and such amount of design variables not always converge to a solution. In fact, a model with 48x60 elements for the plate in study did not converge to a solution for the same target frequencies. The main contribution of this work is showing that an interpolation (linear or cubic) of the coarser grid shape optimization results leads to the solution of a finer grid optimization problem. In other words, it is possible to obtain the smooth surface geometry that optimizes natural frequencies in plates from coarser grid finite element models, thus not requiring fine grid models and high computational costs.

Le crissement de frein est une nuisance sonore récurrente dans l’automobile qui, bien qu’il n’existe pas de solution robuste lors de la conception, se traduit souvent par des pénalités économiques envers les équipementiers. La simulation numérique et les caractérisations expérimentales sont les deux voies classiques pour analyser les phénomènes crissants. La simulation permet une analyse fine des comportements vibratoires et l’évaluation de l’impact de modifications de conception, mais les modèles sont imparfaits et leur domaine de validité doit être établi. La mesure garantit que tous les paramètres sont pris en compte, mais elle est souvent spatialement pauvre et peu adaptée à la prédiction de modifications. Dans ce contexte, les objectifs de la thèse sont de faire un bilan des méthodes d’exploitation des essais, de fournir des outils permettant une interaction facilitée entre les équipes d’essai et de simulation et de mettre en œuvre les développements dans une application métier.Après un rappel sur les hypothèses et les méthodes pour l’identification modale, une analyse critique des résultats d’identification aboutit à la caractérisation des biais et à l’introduction de critères détaillés permettant d’évaluer la qualité du résultat. La corrélation calcul/essai permet de qualifier les modèles et des outils sont intégrés pour faciliter sa mise en œuvre. Plusieurs critères sont définis pour mettre en évidence les sources de mauvaise corrélation venant de la mesure d’une part et du modèle d’autre part. Les sources de mauvaise corrélation sont également identifiées avec l’algorithme d’expansion MDRE, dont les limitations sont comparées à celles des expansions statiques et dynamiques.Le recalage des modèles est ensuite traité par une procédure systématique imbriquant les étapes de recalage de la géométrie, des propriétés matériau et des contacts entre composants. Une paramétrisation du contact est proposée avec une réduction multi-modèle permettant des temps de calculs compatibles avec le temps industriel. Elle permet également des études de sensibilités avec l’introduction de la notion de modes de composant dans un assemblage.Une analyse détaillée d’une campagne de mesure sur un système de frein en conditions crissantes est enfin réalisée. Un parallèle entre les évolutions du cycle limite et le degré de couplage des modes complexes est proposé. Dans le domaine temps-fréquence, la variabilité, la répétabilité, la reproductibilité et la possibilité d’agréger des mesures séquentielles sont évaluées. Le résultat obtenu est finalement étendu sur le modèle éléments finis, ce qui permet des interprétations utiles. / Brake squeal is a nuisance commonly encountered in the car industry which often results in financial penalties towards brake manufacturers, even if no robust solution exists for the conception. Numerical simulation and experimental characterizations are the classical two-track approaches to analyze squeal phenomena. Numerical simulation allows a fine analysis of vibration behaviors and the evaluation of conception modification impacts, but models are not perfect and their validity domain must be defined. Measurement guarantees that every parameter is taken into account, but it is often spatially poor and not really suited for modification prediction. In this context, the thesis objectives are to make an overview of test operating methods, to provide tools allowing an easier interaction between both test and simulation teams and to enforce the developments in a business application.After a review of the hypotheses and methods for modal identification, a critical analysis of the identification results leads to the characterization of biases and the introduction of detailed criteria to evaluate the quality of the result. Calculation/test correlation allows to qualify the models and tools are integrated to facilitate its implementation. Several criteria are defined to highlight the sources of bad correlation coming from the measure on the one hand and the model on the other hand. Sources of poor correlation are also identified with the MDRE expansion algorithm, whose limitations are compared with those of static and dynamic expansions.Model updating is then processed by a systematic procedure imbricating the steps of updating of geometry, material properties and contacts between components. A contact parametrization is proposed with a multi-model reduction allowing calculation times compatible with industrial time. It also allows sensitivity studies with the introduction of the notion of component modes in an assembly.Finally, a detailed analysis of a measurement campaign on a braking system under squeal conditions is carried out. A parallel between the changes of the limit cycle and the degree of coupling of the complex modes is proposed. In the time-frequency domain, variability, repeatability, reproducibility and the ability to aggregate sequential measurements are evaluated. The result is finally extended on the finite element model, which allows useful interpretations.

Esta pesquisa apresenta um estudo investigativo da análise modal aplicada a Sistemas de Distribuição (SDs) frente às distorções harmônicas, no contexto da Qualidade da Energia Elétrica (QEE). A partir do método de análise da ressonância modal, foi conduzido um estudo investigativo para apontar quais barramentos são mais sensíveis e permitem uma melhor observação frente às distorções harmônicas. Vale adiantar que o método de análise de ressonância modal, o qual é fundamentado na decomposição espectral da matriz de admitância do sistema elétrico, já apresenta interessantes trabalhos voltados para sistemas de transmissão. O desafio desta pesquisa foi então investigar a sua aplicação para SDs com um direcionamento às distorções harmônicas, bem como ao seu monitoramento. Dentre os resultados encontrados no desenvolvimento da pesquisa, destaca-se um melhor entendimento do problema das distorções harmônicas, o qual permitiu evidenciar a sensibilidade e a observabilidade dos SDs testes frente ao problema definido no contexto da QEE. / This research presents an investigative study of the modal analysis applied to Distribution Systems (DSs) in the context of Power Quality (PQ) considering the harmonic distortions. From the modal resonance analysis, an investigative study was conducted to indicate which bus bars are more sensitive and allow better observation in face of harmonic distortions. It is worth mentioning that the method of modal resonance analysis, which is based on the spectral decomposition of the admittance matrix of the electric system, already presents interesting applications focused on transmission systems. The challenge of this research was to investigate its application to DSs focusing on harmonic distortions, as well as their monitoring. Among the observed results of the research development, a better understanding of the harmonic distortions problem was achieved, which made it possible to highlight the sensitivity and observability of the DSs tests against the problem defined in the context of the PQ.

Apresenta uma nova técnica de identificação estocástica para estruturas sujeitas a excitação ambiente utilizando um método não recursivo, a análise estatística e a transformada wavelet. A análise estatística contribui para a seleção da melhor ordem para o sistema e automação dos procedimentos computacionais. Em geral há dificuldade para a identificação de baixas freqüências. A transformada wavelet é uma ferramenta fundamental para a compressão de dados e torna possível a identificação completa incluindo baixas freqüências e modos acoplados, além de melhorar significativamente a eficiência computacional do método. É apresentado o estudo de três sistemas simulados e os resultados obtidos são comparados aos parâmetros modais teóricos. / A new form to carry out stochastic identification of structures in operational conditions using a non recursive method, the statistic analysis and the wavelet transform, is presented. The statistic analysis contributed to select the best system order and to automation of computational procedures. In general the identification of low frequencies is a difficult task. The wavelet transform is an essential tool for compression of data making possible the complete identification including low frequencies. In addition it improves the computational efficiency. The study of three simulated system is presented and the results are compared with the analytical modal parameters.

Ce travail de thèse a pour finalité de présenter différentes méthodologies pour l’analyse de réseaux à courant continue haut tension (HVDC). La théorie fondamentale de l‘analyse de sensitivité s’applique sur l’analyse des systèmes électriques de puissance dans les différentes étapes de la production et la transmission de l’énergie. Des outils de bases concernant cette théorie sont devenus populaires et très utilisés.En pratique, les facteurs de participation représentent un exemple de ces outils, utilisés depuis longtemps. Ils ont été proposés par (Perez-Arriaga et al., 1982). Le but des facteurs de participation est la réduction des modèles des systèmes ayant une dynamique particulière comme celle des systèmes électromécaniques. Aussi, les facteurs de participation sont utilisés pour comprendre les relations entre les variables d’état et les valeurs propres des systèmes. Nous présentons la théorie fondamentale de la sensitivité analytique dans laquelle les facteurs de participation sont basses. Pour une bonne compréhension de ces éléments de base de cette théorie, quelques exemples sont présentés. Nous présentons une formulation différente pour l’analyse par sensitivité paramétrique (Barrera Gallegos et al., 2016).Enfin, les deux méthodologies sur des exemples des réseaux HVDC. Notre comparaison permet d’exposer les limites de l’utilisation des facteurs de participation sur des réseaux HVDC.En conclusion, la nouvelle méthodologie est plus générale comparée aux facteurs de participation. Egalement, la nouvelle méthodologie, par sensitivité paramétrique, nous donne plus d’informations sur les caractéristiques dynamiques des réseaux HVDC. / The work presented in this thesis presents different methodology for parametric sensitivity of high voltage dc networks(HVDC).The fundamental theory of modal analysis has been applied for analysis of the power electrical systems in its different stages of production and transmission of energy. Tools derived from these fundamentals have become popular with its use. Among the tools used in dynamic analysis, participation factors have been used for a long time. Proposed by (Perez-Arriaga et al., 1982), they give a metric for relating states and eigenvalues of a system. The objective of the participation factors is to analyze systems with particular dynamics such as electromechanical systems. The participation factors is a tool that helps in the reduction of systems. Firstly, we present the fundaments of the sensitivity analysis upon which the participation factors are based on. The principle is illustrated with several examples.We propose a new formulation for sensitivity analysis using parametric sensitivity (Barrera Gallegos et al., 2016).In the latter, the application of participation factors and parametric sensitivity analysis is performed using HVDC networks. This comparison exposes the limitation of the participation factors for the general analysis of HVDC grids.In conclusion, the new methodology is a better and general alternative compared to traditional participation factors employed for analysis of HVDC grids. In addition, the new technique of parametric sensitivity produces several novel information related to the dynamic characteristics of the HVDC grid.

O processo de calibração de parâmetros é uma importante tarefa que pode consumir bastante tempo no desenvolvimento de projetos e pesquisas. A calibração manual é um processo lento, exige experiência e, muitas vezes, não alcança a precisão desejada. Neste sentido, o presente trabalho propõe uma metodologia de calibração automática, baseada em parâmetros modais, com o intuito de tornar o processo de calibração mais eficaz e preciso. Nesta metodologia, o modelo numérico é desenvolvido em elementos finitos e os parâmetros modais experimentais são identificados por meio de ensaios dinâmicos. Com base nesses parâmetros, o modelo inicial em elementos finitos é atualizado automaticamente por meio de algoritmos de otimização até a convergência. O modelo numérico foi elaborado no software Abaqus e os algoritmos de otimização foram implementados em linguagem Python. A metodologia desenvolvida foi aplicada inicialmente na detecção de dano, sendo dano definido como uma degradação estrutural que resulta em perda parcial de rigidez de um ou vários elementos estruturais. Foram estudados exemplos numéricos e experimentais. Após a calibração da malha, das dimensões da seção transversal, das propriedades mecânicas e das rigidezes das molas, os danos foram corretamente detectados. Outra aplicação foi na investigação da anisotropia do concreto, os parâmetros modais foram obtidos por ensaio de ressonância acústica de amostras de concreto com diferentes traços (pobre, médio e rico) e direções de concretagem (horizontal e vertical). Os resultados mostraram uma clara tendência de comportamento, as amostras concretadas na horizontal foram melhor representadas por material ortotrópico e as concretadas na vertical por material isotrópico transversal no plano de concretagem. A metodologia desenvolvida obteve bons resultados nas aplicações estudadas, indicando seu potencial na calibração de estruturas reais por meio de respostas dinâmicas experimentais. / The process of parameter calibration is an important task that can be time-consuming in the development of projects and research. Manual calibration is a slow process, requires experience, and often does not achieve the desired accuracy. In this sense, the present work proposes a methodology of automatic calibration, based on modal parameters, in order to make the calibration process more efficient and accurate. In this methodology, the numerical model is developed in finite elements and the modal experimental parameters are identified by means of dynamic tests. Based on these parameters, the initial finite element model is automatically updated through optimization algorithms to convergence. The numerical model was elaborated in the software Abaqus and the algorithms of optimization were implemented in Python language. The methodology developed was initially applied in the detection of damage, being damage defined as a structural degradation that results in partial loss of rigidity of one or several structural elements. Numerical and experimental examples have been studied. After the mesh calibration, the cross-sectional dimensions, the mechanical properties and the stiffness of the springs, the damages were correctly detected. Another application was to investigate the anisotropy of concrete, the modal parameters were obtained by acoustic resonance test of concrete samples with different mixes (poor, medium and rich) and directions of concrete placement and compaction (horizontal and vertical). The results showed a clear trend of behavior, the horizontal specimens were better represented by orthotropic material and those concreted vertically by transverse isotropic material in the concreting plane. The developed methodology obtained good results in the studied applications, showing its potential in the calibration of real structures through experimental dynamic responses.

A análise dinâmica experimental tem sido amplamente pesquisada como uma ferramenta de avaliação de integridade de estruturas de concreto armado. Existem técnicas de identificação de danos baseadas em propriedades modais como frequências de ressonâncias, deformadas modais, curvaturas modais e amortecimento. Há também técnicas baseadas na não linearidade da resposta dinâmica, que apesar do grande potencial na detecção de danos, têm sido pouco exploradas nos últimos anos. Este trabalho tem por objetivo avaliar a integridade estrutural de vigas de concreto armado através do comportamento da resposta dinâmica. Foram realizados ensaios dinâmicos em duas vigas de concreto armado com 3,5 m de comprimento, 25 cm de largura, 35 cm de altura e idênticas taxas de armaduras, mas configuradas com barras de aço de diferentes diâmetros, 2 &#981 16 mm e 8 &#981 8 mm, respectivamente. Tais vigas, inicialmente íntegras, foram submetidas a ciclos de carregamento e descarregamento com intensidades crescentes até atingir a ruptura do elemento. Após cada ciclo, as propriedades dinâmicas foram avaliadas experimentalmente, com o emprego de técnicas de excitação por sinais do tipo aleatório e tipo transiente, respectivamente, visando determinar parâmetros que indiquem a deterioração gradativa do elemento. Nesses ensaios dinâmicos aplicaram-se diferentes amplitudes da força de excitação. Verificou-se que o aumento da amplitude da força dinâmica de excitação provocou reduções nos valores das frequências de ressonância de 1,1% e 2,4%, associadas, respectivamente, às excitações aleatórias e transientes; e um comportamento não linear dos índices de amortecimento, associados às excitações aleatórias, mantendo um crescimento linear com as excitações transientes. Constatou-se, ainda, que os valores das frequências de ressonância decrescem com a redução de rigidez mecânica, diminuída com o aumento do nível de fissuração induzido nos modelos. Já os valores dos índices de amortecimento, após cada ciclo, se comportaram de forma não linear e assumiram diferentes valores, conforme a técnica de excitação empregada. Acredita-se que esta não linearidade está relacionada aos danos provocados no elemento pela solicitação estrutural e, por consequência, ao processo de como a dissipação de energia é empregada no processo de instauração, configuração e propagação das fissuras nos elementos de concreto armado. / The experimental dynamic analysis has been widely investigated as a tool to assess integrity of reinforced concrete structures. State-of-the-art modal-based techniques for structural damage analysis use resonance frequencies, modal deformed, curvature and modal damping analysis. There are also techniques based on nonlinear dynamic response that despite the large potential for damage detection, have not been considered in recent years. This work aims to evaluate the structural integrity of reinforced concrete beams through the dynamic response behavior. Dynamic tests were performed on two reinforced concrete beams with 3.5 meters of length, 250 mm of width, 350 mm of height and identical reinforcement rates, but different steel bars diameters, 2 &#981 16 mm e 8 &#981 8 mm, respectively. Beams were initially intact and were subjected to loading and unloading cycles with increasing intensity until the rupture of the concrete beam. After each cycle, the dynamic properties were evaluated experimentally with random and transient excitation signals to determine parameters that indicate gradual deterioration of the beam. Different amplitudes of the excitation force were applied during dynamic testing of concrete beams. These results indicated that an increase in amplitude of dynamic excitation force caused reductions in frequency resonances by 1.1% and 2.4%, associated with the random and transient excitations, respectively. Furthermore, a non-linear behavior of the damping ratios related to random excitations was observed while a linear relationship with transient excitation was found. Moreover, it was found that the resonance frequency decreased with the cracking-related reduction of beam stiffness, caused by increasing level of loading. Additionally, the values of the damping ratios after each cycle behaved non-linearly assuming different values according to the used excitation technique. It is believed that this non-linearity can be related to the loading-related structural damage of the reinforced concrete beam. Therefore, the energy dissipation related to cracking initiation, configuration and propagation in reinforced concrete elements played an important role in the damping ratios of concrete beams.

The study of turbofan aeroacoustics has become important in academia and industry as noise from other aircraft sources, as jet noise, have been reduced. The EESC-USP Fan Rig is a long-duct low-speed fan experimental setup recently built at the Department of Aeronautical Engineering of the University of São Paulo. The objective is to provide a facility for studying fan aeroacoustics with a flexible configuration that allows changes in operational conditions and geometry of the rig so that each of the noise sources can be treated separately. In this work, three experimental campaign were taken aiming to extend the knowledge of this workbench capabilities and to observe the effect that some parameters can have on noise generation. A performance campaign was carried out to characterise the effects of controllable parameters on the aerodynamic characteristics of the flow. Starting from unrestricted flow to 70% area constraint, and a range of fan speeds, several flow measurements that could be translated into performance quantities were taken: volume flow rate, fan total and static pressures, compression ratio, total and net power, and efficiency. The measured compression ratio ranged from 1.00 to 1.02, with maximum axial Mach of 0.13 and maximum total efficiency of 65%. The surge effect, an unstable configuration characterised by rotor blades stall was also observed. Significant differences in fan performance due to the installation of an Inlet Control Device (ICD) and the rotor-stator spacing were not found, except under surge conditions. A parametric campaign was carried out exploring the effects of fan rotational speed, fan loading and rotor-stator spacing. Acoustic measurements were taken using an array of 77 wall-mounted microphones to provide a baseline data set for future comparisons. Hereby, data was processed to obtain the modal decomposition and power spectrum for each configuration. The last proved useful to compare tonal and broadband noise for each configuration. Experimental results indicate that changes in fan rotational speed scale noise generation mechanisms proportionally, do not affect noise spectral shape, and in consequence, are not useful to distinguish noise mechanisms. Although throttling does not seem to exhibit a clear effect on fan noise, it turns out that it is a good approach for cross-comparisons of other parameters\' effect on fan noise, because of its direct modification on the flow structure within the duct. Results also showed that increasing rotor-stator spacing reduces both blade passing frequencies tone levels and the acoustic power of the interaction modes, which are in agreement with results obtained by similar test facilities. In this work a instrumented stator vane was designed using recently available technologies, as 3D printing and the use of MEMS microphones, to measure this pressure fluctuations. Phase-averaging and the signal from a hall sensor were used to separate broadband content in time series. Broadband level distribution were analysed for two span lines of the instrumented stator vane and for a reference microphone located in the inlet antenna. Broadband levels increased with the increase in fan speed and its distribution over these span lines maintained its shape for different speeds. Cross-correlation of the microphones were calculated and showed decay of zero-delay cross-correlation with increase in distance between microphones over the vane. And, finally, the integral length scale, obtained by the integration of zero-delay cross-correlation curve, showed decay with increase in fan speed. The data generated by this work showed good agreements with what was expected from the literature and will help as input data to the semi-analytical and semi-empirical models that are being developed in parallel by the research group. / O estudo da aeroacústica de fan tornou-se importante na academia e na indústria à medida que o ruído de outras fontes nas aeronaves, como o ruído de jato, foram reduzidas. O EESCUSP Fan Rig é um túnel de vento aeroacústico voltado para fans de baixa velocidade, que foi construído recentemente no Departamento de Engenharia Aeronáutica da Universidade de São Paulo. Seu objetivo é prover uma bancada experimental para o estudo dos mecanismos de geração de ruído de fan com uma configuração flexível que permita mudanças nas condições operacionais e geométricas de forma a isolar tanto quanto possível cada uma das fontes. Neste trabalho foram realizadas três campanhas experimentais visando aprofundar os conhecimentos sobre as capacidades da bancada e observar os efeitos no ruído que algumas variações paramétricas podem gerar. Uma campanha de performance de fan foi realizada para quantificar os efeitos dos parâmetros controláveis sobre o as características aerodinâmicas do escoamento. Partindo de escoamento sem restrição até restrição de área de 70%, e para diversas velocidades de rotação do fan, diversas medidas do escoamento foram feitas para que se pudesse calcular as métricas de performance: vazão volumétrica, pressão total e estática do fan, taxa de compressão, potência útil, potência elétrica de entrada e eficiência. Os resultados apontaram para uma taxa de compressão entre 1.0 e 1.02, com Mach axial máximo de 0.13 e eficiência máxima de 65%. Os efeitos de \"surge\", uma configuração instável caracterizada pelo estol das pás do rotor também foi observado. Diferenças significativas na performance do fan devido à instalação de uma Inlet Control Device (ICD) e pelo espaçamento entre rotor e estator não foram encontradas, com exceção em condições de \"surge\". Uma campanha paramétrica para estudo de ruído foi realizada explorando os efeitos da velocidade de rotação e carregamento no fan, espaçamento entre rotor-estator e condição de entrada do escoamento no duto. Os resultados mostraram que o aumento do espaçamento do rotor-estator reduz os níveis tonais nas frequências de passagem das pás (BPFs) a uma taxa de aproximadamente 4dB quanto o espaçamento é duplicado. Os resultados experimentais indicam que as mudanças nos mecanismos de geração de ruído com a velocidade rotacional do fan escalam-se proporcionalmente, não afetam a forma espectral do ruído e, por consequência, não são úteis para distinguir os mecanismos de ruído. Embora a variação no carregamento não pareça exibir um efeito claro no ruído do fan, verifica-se que é uma boa abordagem para comparações cruzadas, em conjunto com a velocidade de rotação, do efeito de outros parâmetros no ruído do fan, já que, desta forma, é possível fazer uma modificação direta na estrutura do escoamento dentro do duto. Os modos Tyler-Sofrin, esperados pela contagem de pás e aletas usadas no conjunto rotor-estator, foram identificados e a potência acústica desses modos de interação acompanham a potências dos respectivos tons no espectro, levando à conclusão que a maior contribuição para o ruído tonal é, de fato, a interação rotor-estator. Também neste trabalho, também foi projetada uma aleta de estator instrumentada, usando tecnologias recentemente disponíveis, como a impressão 3D e o uso de microfones MEMS, para realizar medições de flutuação de pressão na superfície superior da aleta. Um método de processamento de sinal foi desenvolvido, usando a técnica de \"phase averaging\" combinada com o sinal de um sensor Hall para separar o conteúdo de banda larga em séries temporais. A distribuição do nível de ruido banda larga foi analisado para duas linhas na envergadura da aleta instrumentada e em um microfone de referência localizado na antena de microfones. Os níveis de banda larga aumentaram com o aumento da velocidade do fan e a sua distribuição ao longo destas linhas de alcance manteve a sua forma para diferentes velocidades. As correlações cruzadas dos microfones foram calculadas e mostraram o decaimento da correlação cruzada de zero-atraso com o aumento da distância entre os microfones sobre a aleta. Finalmente, a integral do comprimento de escala, obtida pela integração da curva de correlação cruzada de zero-atraso, apresentou decaimento com aumento na velocidade do fan. Os dados gerados por esse trabalho se mostraram de acordo com o esperado na literatura da área e servem de dados de entrada para modelos semi-empíricos e semi-analíticos que vem sendo desenvolvidos paralelamente pelo grupo de pesquisa.

Orientador: Samuel da Silva / Resumo: Os métodos de análise modal tradicionalmente são limitados aos sistemas vibrando em regime linear de movimento. Assim, quando as estruturas sofrem altas amplitudes de excitação ou são muito flexíveis, gerando possíveis vibrações não-lineares, estes métodos acabam perdendo a sua validade e as propriedades características. Com base nesta motivação, este trabalho apresenta um estudo detalhado para mostrar quais as limitações de se aproximar por parâmetros modais sistemas vibrando em regime de movimento não linear. Para ilustrar a formulação, assume-se uma viga engastada e livre emulando um oscilador de Duffing com não linearidade concentrada, suave e polinomial (rigidez cúbica). Observa-se que para regimes de excitação baixa, pode-se extrair parâmetros modais do modelo e ajustá-los para níveis de excitação mais altos quando se induz vibração não-linear pelo aumento do nível da amplitude de excitação. Para situações de vibração não-linear opta-se por aproximar os sinais e saídas pelo método de superfície de resposta e identificar a dependência amplitude-frequência para extração de modos normais não-lineares. Os resultados apresentados com a formulação descrita neste trabalho permitem adaptar adequadamente as ferramentas convencionais de análise modal linear para validade e aplicação direta em casos de vibração em regime não linear, quando estes ainda são considerados de fraca influência. / Abstract: Modal analysis methods have traditionally been limited to systems vibrating in linear motion regime. Thus, when the structures undergo high excitation amplitudes or are very flexible, generating possible nonlinear vibrations, these methods end up losing their validity and characteristic properties. Based on this motivation, this work presents a detailed study to show the limitations of approaching by modal parameters systems vibrating in nonlinear regime. To illustrate the formulation, a cantilever beam is assumed to emulate a Duffing oscillator with concentrated, smooth, polynomial nonlinearity (cubic stiffness). It is observed that for low excitation regimes, one can extract modal parameters from the model and adjust them to higher excitation levels when inducing nonlinear vibration by increasing the excitation amplitude level. For nonlinear vibration situations, we choose to approximate the signals and outputs by the response surface method and identify the amplitude-frequency dependence for extraction of nonlinear normal modes. The results presented with the formulation described in this work allow to adapt adequately the conventional tools of linear modal analysis for validity and direct application in cases of vibration in nonlinear regime, when they are still considered of low influence. / Mestre