Alguns métodos aproximados são sugeridos na literatura relacionada para encontrar a resposta de sistemas com amortecimento não-proporcional. Muitas vezes procura-se estabelecer um critério para aproximar o amortecimento não-proporcional por um modelo de amortecimento proporcional. Neste trabalho foram utilizadas simulações de modelos dinâmicos com três graus de liberdade, com amortecimento não proporcional, a fim de analisar os valores obtidos para as freqüências naturais, estimados a partir dos autovalores resultantes desses modelos. Os cálculos das freqüências naturais e dos amortecimentos modais foram feitos admitindo-se a validade das relações entre estes parâmetros e os autovalores do problema como são bem conhecidas no caso do amortecimento proporcional. Observa-se que, para o caso de amortecimento não-proporcional, este procedimento pode levar a erros significativos na avaliação destes parâmetros. Nos problemas simulados é possível quantificar os erros nas avaliações das freqüências naturais, sendo significativos para fatores de amortecimentos altos. Observa-se que para os fatores de amortecimento não é possível quantificar estes erros, sendo que seus valores são apenas aproximações baseadas na teoria de amortecimento proporcional. Este trabalho apresenta dados que possibilitam uma discussão sobre as diferenças encontradas entre os valores das freqüências naturais e os valores estimados pelas expressões clássicas do amortecimento proporcional. / Some approximate methods are suggested in the related literature to find the output of mechanical systems with non-proportional damping. Often they try to establish a criterion that approximates the non-proportional damping to proportional damping model. In this work, stimulations of dynamics models of three degree of freedom with non-proportional damping were used to examine the values of natural frequencies, estimated from the eigenvalues obtained by these models. The calculations of natural frequencies and modal damping ratio were performed assuming the validity of the relationship between these parameters and the well known eigenvalues of the problem in the proportional damping case. In the simulated problems is possible to quantify the errors in the evaluations of the natural frequencies and this errors are significant for the case where the damping factors are high. It is observed that for the damping factors it is not possible to quantify these errors, and their magnitudes are only approximations based on the theory of proportional damping. This work presents data which enables a discussion about the differences between the magnitude of natural frequencies and the magnitude estimated by the classic equations of proportional damping.

A conversão de energia de vibração disponível no ambiente em energia elétrica tem sido investigada por diversos pesquisadores nos últimos anos. O objetivo é alimentar sistemas de baixo consumo convertendo energia mecânica disponível no ambiente em energia elétrica. A literatura recente mostra que a transdução piezelétrica tem recebido a maior atenção para a conversão de vibrações em eletricidade. Na prática, vigas e placas engastadas com camadas de piezocerâmicas são utilizadas como geradores piezelétricos de energia. Os geradores têm dimensões de placas em alguns casos e a previsão da potência elétrica devido à excitação de base requer uma formulação de placas. Neste trabalho, um modelo por elementos finitos (EF) eletromecanicamente acoplado é apresentado para a previsão da potência elétrica obtida a partir de geradores piezelétricos de energia. Para corpos eletroelásticos, o princípio generalizado de Hamilton é utilizado e o modelo EF é obtido a partir das hipóteses de placas de Kirchhoff, já que os geradores piezelétricos de energia são estruturas tipicamente finas. A presença de eletrodos contínuos é levada em conta no modelo EF. As previsões do modelo EF são verificadas a partir de uma solução analítica para um gerador unimorph e também a partir de resultados analíticos e experimentais para um gerador bimorph em série com uma massa concentrada encontrados na literatura. Nestes casos uma carga resistiva é utilizada no domínio elétrico. O comportamento piezo-elástico de um gerador bimorph em paralelo é investigado com um circuito resistivo no domínio elétrico. / Vibration-based energy harvesting has been investigated by several researchers over the last ten years. The goal is to power small electronic components by converting the waste mechanical energy available in their environment into electrical energy. Recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-to-electricity conversion. In practice, cantilevered beams and plates with piezoceramic layers are employed as piezoelectric energy harvesters. Aspect ratios of piezoelectric energy harvesters in several cases are plate-like and predicting the power output to base excitations requires a plate-type formulation. In this work, an electromechanically coupled finite element (FE) plate model is presented for predicting the electrical power output of piezoelectric energy harvesters. For electroelastic bodies the generalized Hamilton\'s principle is used and the FE model is based from the Kirchhoff plate assumptions as typical piezoelectric energy harvesters are thin structures. Presence of conductive electrodes is taken into account in the FE model. The predictions of the FE model are verified against the analytical solution for a unimorph cantilever and then against the experimental and analytical results of a bimorph in series cantilever with a tip mass reported in the literature. A load resistance is considered in the electrical domain. The piezoelastic behavior of a bimorph in parallel harvester is investigated for energy generation using a load resistance in the electrical domain.

Orientador: Edson Antonio Capello Sousa / Banca: Kátia Luchese Cavalca Dedini / Banca: Jose Manoel Balthazar / Resumo: Neste trabalho, analisaram-se as freqüencias natuais (axiais, torsionais e de flexão) e as respostas em frequencia de um rotor vertical com um disco rígido na extremidade através da análise modal clássica e complexa. A equação que governa o movimento foi obtida através da formulação Lagrangeana. O modelo considerou os efeitos à flexão, torção e deformação axial do eixo, além dos efeitos giroscópicos e gravitacionais. o método dos elementos finitos foi utilizado para discretização da estrutura em elementos cilíndricos vazados com 12 graus de liberdade. As matrizes de massa, rigidez e giroscópia foram explicitadas de forma consistente. A análise modal tradicional, normalmente aplicada a estrutura estacionárias, não considera uma importante característica das máquinas rotativas que são os modos de precessão direta e retrógrada. Inicialmente, através da análise modal clássica, foram obtidas as frequencias naturais axionais e torsionais no eixo estacionário, já que estas não sofrem influência dos efeitos giroscópicos. Posteriormente a investigação foi executada através da análise modal complexa. Este tipo de ferramenta, que se baseia na utilização de coordenadas direcionais para descrever o comportamento dinâmico do eixo rotativo, permite a decomposição dos modos do sistema em dois submodos, sendo um direto e outro retrógrado. Dessa forma, consegue-se visualizar de maneira clara a órbita e a direção do movimento precessional em torno da linha não deformada do eixo rotativo. Um programa de elementos finitos foi desenvolvido utilizando o software MATLAB e simulações numéricas foram efetuadas de forma a validar o modelo construído. Foram obtidas as frequencias naturais e a resposta forçada em frequencia direcional (dFRF), com o uso da análise modal complexa, para um rotor vertical simples e também para uma coluna de perfuração típica utilizada na construção de poços de petróleo / Abstract: In this study, natural frequencies were analyzed (axial, torsional and flexural) and frequency response of a vertical rotor with a hard disk at the edge through the classical modal and complex analysis. The equation that rules the movement was obtained through the Lagragian formulation. The model considered the effects of bending, torsion and axial deformation of the shaft, besides the gravitational and gyroscopic effects. The finite element method was used to discretize the structure into hollow cylindrical elements with 12 degrees of freedom. Mass, stiffness and gyroscopic matrices were explained consistently. The classical modal analysis, usually applied to stationary structures, does not consider an important characteristic of rotating machinery which are the method of forward and backward whirl. Initially, through the traditional modal analysis, axial and torsional natural frequencies were obtained in a static shaft, since they do not suffer the influence of gyroscopic effects. Later research was performed by complex modal analysis. This type of tool, based on the use of complex coordinates to describe the dynamic behavior of rotating shaft, allows the decomposition of the system in two submodes, backward and forward. Thus, it is possible to clearly visualize that the orbit and direction of the precessional motion around the line of the precessional motion around the line of the rotating shaft is not deformed. A finite element program was developed using MATLAB, and numerical simulations were performed to validate this model. Natural frequencies and directional frequency forced response (dFRF) were obtained using the complex modal analysis for a simple vertical rotor and also for a typical drill string used in the construction of oil wells / Mestre

Alguns métodos aproximados são sugeridos na literatura relacionada para encontrar a resposta de sistemas com amortecimento não-proporcional. Muitas vezes procura-se estabelecer um critério para aproximar o amortecimento não-proporcional por um modelo de amortecimento proporcional. Neste trabalho foram utilizadas simulações de modelos dinâmicos com três graus de liberdade, com amortecimento não proporcional, a fim de analisar os valores obtidos para as freqüências naturais, estimados a partir dos autovalores resultantes desses modelos. Os cálculos das freqüências naturais e dos amortecimentos modais foram feitos admitindo-se a validade das relações entre estes parâmetros e os autovalores do problema como são bem conhecidas no caso do amortecimento proporcional. Observa-se que, para o caso de amortecimento não-proporcional, este procedimento pode levar a erros significativos na avaliação destes parâmetros. Nos problemas simulados é possível quantificar os erros nas avaliações das freqüências naturais, sendo significativos para fatores de amortecimentos altos. Observa-se que para os fatores de amortecimento não é possível quantificar estes erros, sendo que seus valores são apenas aproximações baseadas na teoria de amortecimento proporcional. Este trabalho apresenta dados que possibilitam uma discussão sobre as diferenças encontradas entre os valores das freqüências naturais e os valores estimados pelas expressões clássicas do amortecimento proporcional. / Some approximate methods are suggested in the related literature to find the output of mechanical systems with non-proportional damping. Often they try to establish a criterion that approximates the non-proportional damping to proportional damping model. In this work, stimulations of dynamics models of three degree of freedom with non-proportional damping were used to examine the values of natural frequencies, estimated from the eigenvalues obtained by these models. The calculations of natural frequencies and modal damping ratio were performed assuming the validity of the relationship between these parameters and the well known eigenvalues of the problem in the proportional damping case. In the simulated problems is possible to quantify the errors in the evaluations of the natural frequencies and this errors are significant for the case where the damping factors are high. It is observed that for the damping factors it is not possible to quantify these errors, and their magnitudes are only approximations based on the theory of proportional damping. This work presents data which enables a discussion about the differences between the magnitude of natural frequencies and the magnitude estimated by the classic equations of proportional damping.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09626.pdf: 11035558 bytes, checksum: 15aa6dd9cdacdf9c6ea1b493f68aba84 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

A conversão de energia de vibração disponível no ambiente em energia elétrica tem sido investigada por diversos pesquisadores nos últimos anos. O objetivo é alimentar sistemas de baixo consumo convertendo energia mecânica disponível no ambiente em energia elétrica. A literatura recente mostra que a transdução piezelétrica tem recebido a maior atenção para a conversão de vibrações em eletricidade. Na prática, vigas e placas engastadas com camadas de piezocerâmicas são utilizadas como geradores piezelétricos de energia. Os geradores têm dimensões de placas em alguns casos e a previsão da potência elétrica devido à excitação de base requer uma formulação de placas. Neste trabalho, um modelo por elementos finitos (EF) eletromecanicamente acoplado é apresentado para a previsão da potência elétrica obtida a partir de geradores piezelétricos de energia. Para corpos eletroelásticos, o princípio generalizado de Hamilton é utilizado e o modelo EF é obtido a partir das hipóteses de placas de Kirchhoff, já que os geradores piezelétricos de energia são estruturas tipicamente finas. A presença de eletrodos contínuos é levada em conta no modelo EF. As previsões do modelo EF são verificadas a partir de uma solução analítica para um gerador unimorph e também a partir de resultados analíticos e experimentais para um gerador bimorph em série com uma massa concentrada encontrados na literatura. Nestes casos uma carga resistiva é utilizada no domínio elétrico. O comportamento piezo-elástico de um gerador bimorph em paralelo é investigado com um circuito resistivo no domínio elétrico. / Vibration-based energy harvesting has been investigated by several researchers over the last ten years. The goal is to power small electronic components by converting the waste mechanical energy available in their environment into electrical energy. Recent literature shows that piezoelectric transduction has received the most attention for vibration-to-electricity conversion. In practice, cantilevered beams and plates with piezoceramic layers are employed as piezoelectric energy harvesters. Aspect ratios of piezoelectric energy harvesters in several cases are plate-like and predicting the power output to base excitations requires a plate-type formulation. In this work, an electromechanically coupled finite element (FE) plate model is presented for predicting the electrical power output of piezoelectric energy harvesters. For electroelastic bodies the generalized Hamilton\'s principle is used and the FE model is based from the Kirchhoff plate assumptions as typical piezoelectric energy harvesters are thin structures. Presence of conductive electrodes is taken into account in the FE model. The predictions of the FE model are verified against the analytical solution for a unimorph cantilever and then against the experimental and analytical results of a bimorph in series cantilever with a tip mass reported in the literature. A load resistance is considered in the electrical domain. The piezoelastic behavior of a bimorph in parallel harvester is investigated for energy generation using a load resistance in the electrical domain.

A conversão de vibrações aeroelásticas em eletricidade para a geração de pequenas quantidades de potência tem recebido cada vez mais atenção nos últimos anos. Além de aplicações em potencial para estruturas aeroespaciais, o objetivo é desenvolver configurações alternativas para a coleta de energia do escoamento e usá-las em sistemas eletrônicos sem fio. O uso de uma seção típica é uma abordagem conveniente para criar instabilidades e oscilações persistentes na coleta aeroelástica de energia. Este trabalho analisa as versões linear e não linear de dois geradores aeroelásticos de energia baseados em aerofólio que utilizam transdução piezelétrica: (1) com dois graus de liberdade (GDL) e (2) com três GDL. As equações governantes eletroaeroelásticas adimensionais são dadas em cada caso com uma carga resistiva no domínio elétrico para a previsão do comportamento do sistema. Primeiro, a interação entre a geração piezelétrica de potência e os comportamentos aeroelásticos linear e não linear de uma seção típica com 2-GDL é investigada para um conjunto de cargas resistivas. As previsões do modelo são comparadas com dados experimentais obtidos em ensaios em túnel de vento na condição de flutter. No segundo estudo de caso, uma não linearidade bilinear é adicionada ao GDL de rotação da seção típica. Mostra-se que oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas abaixo da velocidade linear de flutter. As simulações do modelo previram com sucesso os resultados experimentais. Finalmente, a combinação das não linearidades rigidez cúbica (do tipo que se torna mais rígida proporcionalmente ao cubo do deslocamento) e bilinear é considerada no GDL de rotação da seção típica. A resposta piezoaeroelástica não linear é investigada para diferentes valores da razão entre a rigidez não linear e a rigidez linear. A não linearidade bilinear reduz a velocidade em que oscilações persistentes aparecem enquanto que a rigidez cúbica contribui para com a obtenção de oscilações persistentes de amplitude aceitável em uma faixa mais ampla de velocidades do escoamento. Em seguida, os comportamentos piezoaeroelásticos linear e não linear de uma seção típica com 3-GDL são investigados. A não linearidade bilinear é adicionada ao GDL de rotação da superfície de controle. Mostra-se que oscilações não lineares em ciclo limite podem ser obtidas em uma faixa de velocidades do escoamento. No último caso, a não linearidade cúbica é modelada no GDL de rotação da seção típica (além da não linearidade bilinear na superfície de controle) e oscilações de amplitude limitada são obtidas em uma faixa de velocidades do escoamento. Não linearidades concentradas podem ser introduzidas em geradores aeroelásticos de energia (que utilizam transdução piezelétrica ou outro mecanismo transdutor) para melhoria do desempenho do sistema. / Converting aeroelastic vibrations into electricity for low power generation has received growing attention over the past few years. In addition to potential applications for aerospace structures, the goal is to develop alternative and scalable configurations for wind energy harvesting to use in wireless electronic systems. The use of a typical airfoil section is a convenient approach to create instabilities and persistent oscillations in aeroelastic energy harvesting. This work analyzes the linear and non linear versions of two airfoil-based aeroelastic energy harvesters using piezoelectric transduction: (1) with two degrees of freedom (DOF) and (2) with three DOF. The governing dimensionless electroaeroelastic equations are given in each case with a resistive load in the electrical domain for predicting the system behavior. First the interaction between piezoelectric power generation and linear and non linear aeroelastic behavior of a typical section with 2-DOF is investigated for a set of resistive loads. Model predictions are compared to experimental data obtained from the wind tunnel tests at the flutter boundary. In the second case study, free play nonlinearity is added to the pitch DOF and it is shown that nonlinear limitcycle oscillations can be obtained below the linear flutter speed. The experimental results are successfully predicted by the model simulations. Finally, the combination of cubic hardening stiffness and free play nonlinearities is considered in the pitch DOF. The nonlinear piezoaeroelastic response is investigated for different values of the nonlinear-to-linear stiffness ratio. The free play nonlinearity reduces the cut-in speed while the hardening stiffness helps in obtaining persistent oscillations of acceptable amplitude over a wider range of airflow speeds. Later the linear and non linear piezoaeroelastic behavior of a typical section with 3-DOF is investigated. Free play nonlinearity is added to the control surface DOF and it is shown that nonlinear limit-cycle oscillations can be obtained over a range of airflow speeds. In the last case cubic hardening nonlinearity is modeled in the pitch DOF (in addition to the free play in the control surface) and bounded oscillations are obtained for a range of airflow speeds. Concentrated nonlinearities can be introduced to aeroelastic energy harvesters (exploiting piezoelectric or other transduction mechanisms) for performance enhancement.

Este trabalho propõe uma solução inovadora para o amortecimento de vibrações laterais indesejadas em máquinas rotativas através da conversão de energia cinética em energia elétrica por meio de um dispositivo eletromagnético passivo de colheita de energia, com o mínimo de geração de torque reativo. Para atingir estes objetivos, foram descritas e avaliadas as três principais técnicas de coleta de energia vibratória (piezelétrica, eletrostática e eletromagnética) juntamente com análises qualitativas das equações de eletromagnetismo e pelo Método dos Elementos Finitos. Um protótipo que consiste em um conjunto de ímãs permanentes anexos ao rotor e um conjunto de bobinas no estator demonstrou experimentalmente uma diminuição da amplitude de vibração em até 6,8%, na região de velocidades críticas, com geração não significativa de torque. Estes resultados foram obtidos experimentalmente mantendo-se os enrolamentos independentes entre si. / In this work, it is proposed a novel damping solution for undesired lateral vibrations in rotating machines by converting kinetic energy into electrical energy through a passive electromagnetic energy harvesting device, with minimal generation of reactive torque. In order to achieve these goals, it is described and evaluated the three main vibration energy harvesting techniques (piezoelectric, electrostatic and electromagnetic) along with qualitative analysis of electromagnetic equations and nite element analysis (FEA). Furthermore, a prototype consisting of a set of permanent magnets attached to the rotor and a set of coils attached to the stator showed a decrease in the amplitude of vibration up to 6,8% in the range of critical velocities, with non-signicant torque generation. Such results were obtained experimentally with independent-circuit coils.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:48:58Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 09626.pdf: 11035558 bytes, checksum: 15aa6dd9cdacdf9c6ea1b493f68aba84 (MD5) / Dissertacao (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Orientadores: Pablo Siqueira Meirelles, Douglas Eduardo Zampieri / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T23:03:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mendes_AlexandreSchalch_D.pdf: 4157689 bytes, checksum: a667c356ec83b5bb7af3834db18db144 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo a aplicação da técnica conhecida como Hardware-in-the-Loop (HIL), para a avaliação do comportamento dinâmico de dois sistemas mecânicos não-lineares e assim verificar o desempenho da técnica nestes casos. O primeiro estudo consiste na avaliação de um componente, no caso uma engrenagem bi-partida, sujeito a contatos dinâmicos e impactos os quais são difíceis de serem modelados matematicamente. O segundo caso estudado consiste na avaliação de um amortecedor de vibrações torcionais do tipo elastomérico utilizado em motores de combustão interna, o qual apresenta não-linearidades de material, cujas propriedades variam em função da temperatura da borracha. Bancadas de testes distintas foram elaboradas para a avaliação dos dois componentes, tendo como entrada sinais de torques ou deslocamentos angulares gerados em tempo real por um código desenvolvido em ambiente MATLAB/SIMULINK e compilados para a simulação dos componentes através de uma placa controladora dSPACE. Nos estudos de HIL da engrenagem bi-partida, compararam-se os sinais de deslocamento angular medidos em um motor Diesel e na bancada de testes. Como conclusão verificou-se que os sinais obtidos na bancada foram muito próximos aos observados no motor. Já no caso do amortecedor, foram medidas as amplitudes das vibrações no cubo e anel do damper. Os deslocamentos angulares do cubo e anel foram comparados às amplitudes reais medidas em um motor no dinamômetro e, ao término do trabalho, verificou-se que as amplitudes obtidas do ensaio de HIL apresentaram boa correlação com os valores medidos no motor, alcançando-se dessa forma os objetivos propostos para esse trabalho / Abstract: The objective of this work is to apply the technique known as Hardware-in-the-Loop (HIL), to assess the dynamic behavior of two non-linear mechanical systems and to verify the performance of the technique in these cases. The first study is the evaluation of a component, in this case a pre-tensioned gear, subjected to dynamic contacts and impacts which are difficult to be modeled mathematically. The second study is to evaluate an elastomeric torsional vibration damper (TVD) used in internal combustion engines, which has non-linear material properties that depend on the rubber temperature. Different test benches were developed for the evaluation of these two components, with the input signals of torques or angular displacements in real time, generated by a code developed in MATLAB / SIMULINK and compiled for the simulation of the components via dSPACE controller board. In the study of the pre-tensioned gear, we compared the signals of angular displacements in a Diesel engine with the test bench values. In conclusion it was found that the signals from the tests were very similar to those observed in the engine. In the case of the damper, were measured the amplitude of vibration at the hub and ring of the TVD. The angular displacements of the hub and ring were compared to actual measurements on an engine in the dynamometer. At the end of this work, it was found that the obtained amplitudes from the HIL test showed good correlation with the values measured in the engine, achieving that way the proposed goals of this work / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica