Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-10-26T15:05:13Z No. of bitstreams: 1 2017_WescleyOliveiraVianaBarbosa.pdf: 2895493 bytes, checksum: 771a1e7aa2e09c63a5dabba06f723028 (MD5) / Rejected by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br), reason: Boa tarde, Por favor, adicione o título alternativo. on 2018-01-22T16:51:19Z (GMT) / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-01-22T19:21:02Z No. of bitstreams: 1 2017_WescleyOliveiraVianaBarbosa.pdf: 2895493 bytes, checksum: 771a1e7aa2e09c63a5dabba06f723028 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-03-22T18:48:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_WescleyOliveiraVianaBarbosa.pdf: 2895493 bytes, checksum: 771a1e7aa2e09c63a5dabba06f723028 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-22T18:48:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_WescleyOliveiraVianaBarbosa.pdf: 2895493 bytes, checksum: 771a1e7aa2e09c63a5dabba06f723028 (MD5) Previous issue date: 2018-03-22 / Os materiais piezelétricos pertencem a uma classe de materiais inteligentes (“smart materials”) que exibem acoplamento eletromecânico, convertendo energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa. Essa possibilidade, aliada à facilidade de integrar esses materiais em variados tipos de estruturas, torna a sua aplicabilidade bastante interessante nas engenharias. Ao serem usados na conversão da energia mecânica em elétrica, esses materiais, além de outras aplicações, podem operar como colheitadores da energia presente nas vibrações mecânicas, processo denominado na literatura como “Power Harvesting” ou “Energy Harvesting”, atuando como geradores elétricos. Ao se explorar a possibilidade de converter eletricidade em esforço mecânico, tais materiais podem atuar como controladores de vibrações. É importante ressaltar que o comportamento caótico que pode ocorrer nas vibrações mecânicas, embora seja indesejado em diversas situações, pode ser bastante útil para se conferir flexibilidade ao sistema. Isso ocorre porque o comportamento caótico apresenta uma riqueza intrínseca devido à existência de um número infinito de órbitas periódicas instáveis (OPIs). Nesse contexto, a combinação do processo de colheita de energia com o controle do caos pode estabelecer sistemas autônomos onde a energia colhida pode ser empregada nas atuações para o controle das vibrações. Este trabalho propõe alcançar dois objetivos combinando colheita de energia e controle simultaneamente: reduzir vibrações mecânicas e obter comportamentos mais adequados para a geração de energia elétrica. Além disso, explora-se a possibilidade de alternar esses processos conforme a necessidade. Tanto as atuações de controle quanto a colheita de energia são obtidos através da utilização de materiais piezelétricos. A estrutura estudada consiste em uma viga piezomagnetoelástica biestável submetida a excitações de base. O sistema é investigado numericamente a partir de um modelo simplificado regido por equações diferenciais ordinárias. Os resultados mostram situações onde é possível realizar o controle do caos usando energia colhida para alimentar parcial ou completamente o controlador. / Piezoelectric materials belong to a class of "smart materials" that exhibit electromechanical coupling, converting mechanical energy into electrical energy or vice versa. This possibility, coupled with the ease of integrating these materials into various types of structures, makes their applicability quite interesting in engineering. When used in the conversion of mechanical energy to electrical energy, these materials, besides other applications, can operate as harvesters of the energy present in the mechanical vibrations, a process called in the literature as "Power Harvesting" or "Energy Harvesting", acting as electric generators. By exploring the possibility of converting electricity into mechanical effort, such materials can act as vibration controllers. It is important to emphasize that the chaotic behavior that can occur in mechanical vibrations, although it is unwanted in several situations, can be very useful to give flexibility to the system. This is possible because the chaotic behavior presents an intrinsic richness due to the existence of an infinite number of unstable periodic orbits (OPIs). In this context the combination of the energy harvesting process with the chaos control can establish autonomous systems where the energy harvested can be used in the actions to control the vibrations. This work aims to achieve two objectives combining energy harvest and control simultaneously: reduce mechanical vibrations and obtain behaviors more suitable for the generation of electric energy. In addition, it explores the possibility of alternating these processes as needed. Both control and energy harvesting performances are obtained through the use of piezoelectric materials. The structure studied consists of a bistable piezomagnetoelastic beam subjected to basic excitations. The system is investigated numerically from a simplified model governed by ordinary differential equations. The results show situations where it is possible to control chaos using harvested energy to partially or completely feed the controller.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a estimativa de funções de resposta em freqüência angulares (FRFAs). Trata-se de uma técnica que utiliza transdutores piezelétricos (PZT) do tipo bimorph para a medição da curvatura local da estrutura através do potencial elétrico induzido pela extensão e compressão do sensor. A partir da estimativa da curvatura, a rotação pode ser obtida diretamente através de várias técnicas de interpolação (polinomial, formas modais, etc). Apresenta-se a modelagem téorica da qual se deriva as equações que governam a dinâmica de estruturas uni-dimensionais, do tipo viga, e estruturas bidimensionais, do tipo placa, ambas isotrópicas, onde se incorpora o sensor bimorph. Modelos em elementos finitos foram propostos no intuito de avaliar a utilização destes sensores (bimorphs) aplicados à estimativa das FRFAs. Apresentam-se também resultados numéricos e experimentais considerando-se uma viga engastada-livre (cantilever) e resultados numéricos considerando-se uma placa simplesmente apoiada. Um algoritmo genético foi ainda desenvolvido no intuito de determinar a posição e dimensão ótimas dos bimorphs em estruturas do tipo viga. / The present work aims to perform the development of an attractive approach for accurate measurement of angular frequency response functions (AFRFs). It uses bimorph piezoceramic patches to measure the structure\'s local curvature through the measurement of the electric potential induced by the extension and compression of the patch\'s top and bottom stripes, respectively. From this curvature, rotation can be obtained directly by several interpolation techniques (single polynomial, modes basis). Theoretical modeling of the vibration incorporating piezoelectric bimorph sensor is presented and equations governing the dynamics for one-dimensional structures, like a beam, and for two-dimensional structures, like a plate, are derived for isotropic structures. Finite element model for the dynamic analysis were proposed to evaluate bimorphs patches applied to the measurement of angular FRFs. Numerical and experimental results are presented considering a cantilever beam and numerical results for a simply supported plate as tested structured. Also, in this work, a genetic algorithm was used as an adaptive heuristic search algorithm for optimal placement and sizing of the bimorph sensor into beam like structures.

O chatter é o principal problema de instabilidade nos processos de usinagem, e é causado pelas ondulações deixadas na superfície durante cortes sucessivos, ou chamado processo de regeneração, e é caracterizado pelo ruído e qualidade superficial ruim nas superfícies usinadas. Portanto, a comunidade científica tem se preocupado em desenvolver ações, tanto para a predição do fenômeno, como para desenvolver estratégias para sua redução. Neste trabalho avalia-se numérica e experimentalmente, a utilização de pastilhas piezelétricas acopladas no suporte da ferramenta, e aplicando estratégias de controle passivo e ativo, procurando a redução do chatter em processos de torneamento. A solução passiva consiste em conectar os terminais das pastilhas piezelétricas a um circuito elétrico dissipador de energia. A solução ativa propõe usar uma das pastilhas como sensor e a outra como atuador para aplicar leis de controle de realimentação. Na avaliação numérica foi considerado um modelo eletromecânico de parâmetros distribuídos usando a teoria de viga engastada de Euler-Bernoulli, e as equações constitutivas elétricas e mecânicas do material piezelétrico. A comparação das funções de resposta em frequência (FRFs) do sistema, obtidas numericamente, mostra uma adição de amortecimento ao sistema quando é usado um circuito de dissipação com uma resistência e uma indutância como solução passiva. A avaliação numérica da solução ativa indica que o controle de realimentação de velocidade adiciona amortecimento do sistema. A melhora da estabilidade no processo de torneamento destas duas estratégias é comprovada num diagrama de lóbulos de estabilidade. Na parte experimental foram obtidas as funções de resposta em frequência do sistema suporte da ferramenta, usando um sistema de aquisição de dados, com o fim de comparar as magnitudes da resposta, e foram feitos testes de torneamento com o fim de comparar qualitativamente as qualidades superficiais obtidas nas peças usinadas. A medição das FRFs com circuitos de dissipação indicou uma atenuação da resposta para um sistema com circuito em série, estratégia que foi avaliada em testes de torneamento, e mostrando uma melhora no acabamento superficial. / Chatter is the main problem of instability in machining processes, caused by the modulations left on the surface during the successive cuts, called regeneration process, and is characterized by violent vibrations, noise and poor surface quality on machined surfaces. Thus, the scientific community has been concerned with developing actions for both the phenomenom prediction, and developing strategies to reduce them. This work evaluates numerically and experimentally the use of piezoelectric layers embedded to the tool-holder, and applying active and passive strategies trying to reduce the chatter in turning processes. For the passive case, the conductive electrode pairs of the piezoelectric layers are connected to a shunt circuit which modifies the system dynamics. The active solution proposes to use one of the piezoelectric layers as sensor an the other one as actuator, in order to apply feedback control laws. A numerical evaluation considers an electromechanical distributed parameter model based on Euler- Bernoulli cantilever beam theory, and the electrical and mechanical constitutive equations of the piezoelectric material. A comparison of the system frequency response functions (FRFs), numerically obtained, shows an increase of system damping when a resistive-inductive shunt circuit is used as a passive solution. The numerical evaluation of the active solution shows that the velocity feedback control increases the system damping. The turning process stability improvement using both strategies, is shown in a stability lobe diagram. Frequency response functions of the tool-holder system were obtained experimentally using a data acquisition system, in order to compare the response amplitudes. Turning tests were performed in order to compare surface qualities obtained of machined parts. Measurement of FRFs using series resistive-inductive shunt circuits shows a system response attenuation, later this strategy was evaluated in turning tests, showing an improvement in surface finish.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a estimativa de funções de resposta em freqüência angulares (FRFAs). Trata-se de uma técnica que utiliza transdutores piezelétricos (PZT) do tipo bimorph para a medição da curvatura local da estrutura através do potencial elétrico induzido pela extensão e compressão do sensor. A partir da estimativa da curvatura, a rotação pode ser obtida diretamente através de várias técnicas de interpolação (polinomial, formas modais, etc). Apresenta-se a modelagem téorica da qual se deriva as equações que governam a dinâmica de estruturas uni-dimensionais, do tipo viga, e estruturas bidimensionais, do tipo placa, ambas isotrópicas, onde se incorpora o sensor bimorph. Modelos em elementos finitos foram propostos no intuito de avaliar a utilização destes sensores (bimorphs) aplicados à estimativa das FRFAs. Apresentam-se também resultados numéricos e experimentais considerando-se uma viga engastada-livre (cantilever) e resultados numéricos considerando-se uma placa simplesmente apoiada. Um algoritmo genético foi ainda desenvolvido no intuito de determinar a posição e dimensão ótimas dos bimorphs em estruturas do tipo viga. / The present work aims to perform the development of an attractive approach for accurate measurement of angular frequency response functions (AFRFs). It uses bimorph piezoceramic patches to measure the structure\'s local curvature through the measurement of the electric potential induced by the extension and compression of the patch\'s top and bottom stripes, respectively. From this curvature, rotation can be obtained directly by several interpolation techniques (single polynomial, modes basis). Theoretical modeling of the vibration incorporating piezoelectric bimorph sensor is presented and equations governing the dynamics for one-dimensional structures, like a beam, and for two-dimensional structures, like a plate, are derived for isotropic structures. Finite element model for the dynamic analysis were proposed to evaluate bimorphs patches applied to the measurement of angular FRFs. Numerical and experimental results are presented considering a cantilever beam and numerical results for a simply supported plate as tested structured. Also, in this work, a genetic algorithm was used as an adaptive heuristic search algorithm for optimal placement and sizing of the bimorph sensor into beam like structures.

A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.

A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.