Orientador: Dilson Amancio Alves / Banca: Carlos Roberto Minussi / Banca: Luiz Carlos Pereira da Silva / Resumo: O objetivo do trabalho proposto é o de apresentar aplicações práticas da técnica de análise modal na avaliação da estabilidade de tensão e à redução da perda total de potência reativa na transmissão. A análise modal tem demonstrado ser uma ferramenta de análise estática muito útil que pode ser utilizada para identificar áreas propensas à instabilidade de tensão. Seus resultados são usados para identificar as medidas de reforço mais adequadas para aumentar a margem de estabilidade de tensão de sistemas elétricos de potência. A melhor localização para a instalação de compensação reativa shunt e série é determinada baseada nos fatores de participação de barra e de ramos, respectivamente. Outros objetivos deste trabalho são os de apresentar uma metodologia alternativa para a alocação de bancos de capacitores shunt, e o efeito da compensação de bancos de capacitores série na margem de carregamento. Os objetivos são à redução da perda total de potência reativa na transmissão e o aumento na margem de carregamento do sistema. Os valores dos montantes de compensação reativa shunt a serem alocados são determinados com base nas curvas de perda total de potência reativa na transmissão versus magnitude de tensão da barra. No caso da compensação série, o valor da reatância capacitiva escolhido é limitado pelo valor prático de compensação que é da ordem de 80%. Também são investigados os efeitos individuais que cada um destes procedimentos traz para o sistema. Entre os efeitos investigados estão: a redução das perdas reativas, a variação na margem de estabilidade estática de tensão, e a melhoria do perfil de tensão. Os resultados obtidos para os sistemas do IEEE (14, 57 e 118 barras) mostram que o procedimento conduz a uma sensível redução da perda total de potência... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The objective of the proposed work is to present practical applications of the modal analysis technique applied to voltage stability assessment and reactive power losses reduction. Modal analysis has proven to be a useful steady-state analysis approach which can be applied to identify areas prone to voltage instability. Its results are used to identify the most effective remedial actions to increase system voltage stability margin. The best location for placing shunt and series capacitor is determined based on the bus and branch participations factors respectively. Other goals of the proposed work are to present an alternative procedure to the allocation of shunt capacitor, and the effects of series capacitor compensation on the system loading margin. The objectives are the total reactive power losses reduction in the transmission and the loading margin increase. The values of shunt reactive compensation to be allocated are determined based on the curve of total transmission reactive power losses versus bus voltage magnitude. In case of series compensation, the chosen reactive capacitance values are limited by a practical upper limit of series compensation degree of 80%. The individual effects that each one of these procedures brings for the system are also investigated. Among the investigated effects are: the reduction in the total reactive power losses, the changes in the static voltage stability margin, and the improvement of voltage profile. The results obtained for the IEEE system (14, 57 and 118 bus) show that the procedure leads to a sensible reduction of total reactive power losses and simultaneously, an improvement in the voltage profile and load margin increase. / Mestre

Resumo: Estruturas e máquinas em regime operacional usualmente são submetidas a carregamentos dinâmicos ocasionados por vibração. Este fenômeno é em grande parte prejudicial, tendo em vista que podem causar falhas por fadiga, ruídos indesejáveis, etc. Com objetivo de minimizar e avaliar níveis de vibração em sistemas estruturais, técnicas de modelagem teórica e experimental vêm sendo utilizadas com freqüência. Dentre diferentes técnicas aplicadas à avaliação do comportamento dinâmico de estruturas, a análise modal figura como uma das principais.O presente trabalho tem como objetivo implementar um método de identificação de parâmetros modais no domínio da freqüência, de estruturas com vários graus de liberdade (MDOF). O método foi implementado em um ambiente computacional de baixo custo. O programa desenvolvido possibilita através de suas interfaces gráficas identificar os parâmetros modais de dados experimentais de uma estrutura metálica ensaiada, simular os modos de vibrar identificados da estrutura e permite de forma pratica que os usuários com poucos conhecimentos em análise modal interajam com todo o processo de análise dos dados experimentais. / Abstract: Structures and machines in operational regime are usually submitted to dynamic loads caused by vibration. This phenomenon is largely harmful, considering can cause cracks for fatigue, undesirable noises, etc. With objective of minimize and evaluate vibration levels in structural systems, techniques of theoretical and experimental modeling have been used frequently. Among different techniques applied to the evaluation of the dynamic behavior of structures, the modal analysis present as one of the main. The present work has as objective implements a method of identification of modal parameters in the domain of the frequency to structures with multi degrees of freedom (MDOF). The method should be implemented in a low cost software. The developed software had made possible through their graphic interfaces to identify the modal parameters of experimental data of a rehearsed metallic structure, to simulate the modes of vibration identified and make possible users with few knowledge in modal analysis interact with the whole the process of analysis of the experimental data. / Orientador: Mauro Hugo Mathias / Coorientador: Everaldo de Barros / Banca: Mauro Hugo Mathias / Banca: José Elias Tomazini / Mestre

Orientador: João Antônio Pereira / Banca: Luiz de Paula do Nascimento / Banca: Domingos Alves Rade / Resumo: A Análise Modal envolvendo apenas as respostas da estrutura é ainda um desafio que requer o uso de técnicas de identificação especiais. Este trabalho discute a identificação baseada apenas na resposta utilizando um método de identificação no tempo, mais especificamente, o método Identificação Estocástica de Subespaço. É mostrado que uma estrutura vibrando excitada por forças não conhecidas, pode ser modelada como um modelo de espaço de estado estocástico. A partir da aplicação de técnicas numéricas robustas como fatorização QR e Decomposição em Valores Singulares para a matriz bloco de Hankel semi-infinita, contendo os dados de resposta, é obtida a estimativa dos estados do modelo. Uma vez que os estados são conhecidos, o sistema de matrizes é encontrado através da solução de um problema de mínimos quadrados. Encontrado o modelo matemático da estrutura, os parâmetros modais são estimados diretamente através da decomposição em autovalores. O trabalho apresenta ainda uma metodologia que utiliza a função densidade de probabilidade para identificar possíveis componentes harmônicos contidos nos sinais de respostas. Os sinais são filtrados em uma faixa de freqüência contendo um provável modo e é verificado se este corresponde a um modo natural ou operacional. A metodologia é avaliada com dados simulados e experimentais e os resultados obtidos mostraram-se promissores para identificação dos parâmetros modais de sistemas estocásticos lineares e invariantes no tempo, utilizando apenas as respostas. / Abstract: Modal analysis using output-only measurements is still a challenge in the experimental modal analysis community. It requires the use of special modal identification techniques. This work discusses the concepts involved in the output-only modal analysis and the implementation of the Stochastic Subspace Identification time domain method. It is shown that a vibrating structure excited by an unknown force can be modelled as a stochastic state space model. In this approach, the SSI method estimates the state sequences directly from the response data and the modal parameters are estimated by using the eigenvalues decomposition of the state matrix. The steps of the procedure are implemented using the well-known numerical linear algebra algorithms, Singular Value Decomposition and the QR decomposition. It also includes a methodology based on the Probability Density Function to identify harmonic components of the response signals. The signals are filtering in a range of frequency containing a mode, to verify if it is a natural or operational mode. The approach is evaluated with simulated and experimental data and the results have shown to be promising to identify the modal parameters of stochastic linear time-invariant systems, based only on the output data. / Mestre

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Sérgio Sartori / Resumo: O presente trabalho propõe o estudo e implementação de uma metodologia para a estimação dos parâmetros modais de estruturas utilizando uma técnica de identificação baseada apenas na resposta do modelo, denominada Decomposição no Domínio da Freqüência (DDF). Para tal são abordados os conceitos básicos envolvidos na análise modal, análise modal baseada apenas na resposta e métodos de identificação. A formulação do algoritmo é baseada na decomposição da matriz densidade espectral de potência utilizando a técnica da decomposição em valores singulares (SVD). A decomposição da matriz densidade espectral nas linhas de freqüências correspondentes aos picos de amplitude, permite a estimativa dos modos de vibrar do sistema. Tem-se ainda que, o primeiro vetor singular obtido com a decomposição da matriz densidade espectral, para cada linha de freqüência, na região em torno do modo, contém as respectivas informações daquele modo e o correspondente valor singular leva a uma estimativa da função densidade espectral de um sistema de um grau de liberdade (1GL) equivalente. Neste caso, a matriz densidade espectral de saída é decomposta em um conjunto de sistemas de 1 grau de liberdade. Posteriormente, esses dados são transformados para o domínio do tempo, utilizando a transformada inversa de Fourier, e as razões de amortecimento são estimadas utilizando o conceito de decremento logaritmo. A metodologia é avaliada, numa primeira etapa, utilizando dados simulados e posteriormente utilizando dados experimentais. / Abstract: The present work proposes the study and implementation of a methodology for the estimating of the modal parameters of structures by using the output-only data. The technique called Frequency Domain Decomposition (DDF) identifies the modal parameters without knowing the input. For that, it is discussed the basic concepts involved in identification, modal analysis and output-only modal analysis. The formulation of the algorithm is based on the decomposition of the power spectral density matrix by using the singular values decomposition technique (SVD). The decomposition of the spectral density matrix for the lines of frequency corresponding to the amplitude peaks, allows the estimating of the modes shape of the system. Additionally, the first singular vector obtained with the decomposition of the spectral density matrix, for each line of frequency, in the area around of the peak, contains the respective information of that mode. The corresponding singular value leads to an estimating of the spectral density function of an equivalent system of one degree of freedom. Therefore, the output spectral density matrix is decomposed in a set of one degree of freedom system. Later on, those data are transformed for the time domain by using the inverse Fourier transform and the damping ratios estimated from the crossing times and the logarithm decrement of the corresponding single degree of freedom system correlation function. The methodology is evaluated using simulated and experimental data. / Mestre

Orientador: João Antônio Pereira / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: Heraldo Nélio Cambraia / Resumo: O presente trabalho propõe uma metodologia de ajuste de modelos de elementos finitos aplicado a problemas de contato. O ajuste do modelo é realizado através da atualização dos parâmetros físicos e/ou geométricos do modelo bem como dos parâmetros dos elementos de contato. O método utilizado é baseado nas FRF(s) e é formulado a partir de um resíduo de entrada, dado pelo balanço de força do sistema. Um software é implementado para fazer a comparação e correlação dos modelos analítico e experimental, e se necessário, ajustar os parâmetros do modelo analítico. O modelo analítico é gerado pelo software comercial ANSYSâ, e os dados experimentais são obtidos em testes experimentais de análise modal. A metodologia foi avaliada com exemplos numéricos e testes experimentais buscando identificar as potencialidades e limitações do método. Dois testes experimentais foram realizados. O primeiro teste consiste em obter os parâmetros modais de uma estrutura simples do tipo viga. No segundo teste, os parâmetros modais são obtidos de uma estrutura composta por duas peças em contato. O objetivo do primeiro teste é avaliar a potencialidade da metodologia proposta utilizando uma base de dados experimental confiável, já que a estrutura é simples e suas propriedades são bem conhecidas. O segundo teste tem por objetivo avaliar a metodologia para o problema de contato. Os resultados apresentados mostram a funcionalidade da metodologia. O ajuste foi realizado com êxito tanto para a estrutura simples como para a estrutura composta por duas peças em contato. / Abstract: The present work proposes a finite element model updating methodology applied to problems of contact. The updating of the models is accomplished through the updating of the physical and/or geometric parameters of the model as well as the parameters of the contact elements. The approach is a FRF-based method; it is formulated from input residue, given by the equilibrium force of the system. It is implemented a software to makes the comparison and correlation of the analytical and experimental models, and if necessary, to adjust the parameters of the analytic model based in the experimental data, in order to get a more reliable finite element model. The analytical model is created by the commercial software ANSYSâ, and the experimental data are obtained by experimental modal tests. The methodology was evaluated with numeric and experimental data aiming at identifying of the potentialities and limitations of the method. Two experimental tests were developed, the first test consists of the analyses of a beam like structure and the second one, the analysis of a structure composed by two pieces in contact. The aim of the first test is to evaluate the potentiality of the methodology using a reliable experimental base of data, since the structure is simple and its properties are very wellknown. The second test has for objective to evaluate the methodology for problems of contact. The presented results have shown the functionality of the methodology. The adjustment was accomplished with relative success for the simple structure as well as for the structure composed by two pieces in contact. / Mestre

Orientador: Sérgio Kurokawa / Banca: Afonso José do Prado / Banca: Lourenço Matias / Resumo: O presente trabalho descreve detalhadamente uma metodologia alternativa para o cálculo dos parâmetros longitudinais e transversais de um condutor múltiplo genérico, com base na configuração de um condutor equivalente. A metodologia proposta considera precisamente o acoplamento mútuo entre os subcondutores que compões o feixe, a natureza distribuída dos parâmetros e a distribuição da corrente, uniforme ou desigual, através dos subcondutores. São calculados e analisados os parâmetros utilizando a metodologia alternativa proposta e o procedimento clássico baseado na obtenção de um condutor equivalente aplicando o conceito do Raio Médio Geométrico (RMG), para diversos condutores múltiplos, sendo eles simétricos ou não simétricos, convencionais ou não-convencionais. Posteriormente, são comparados os resultados obtidos por ambos os métodos e a partir desses é possível comprovar a eficácia da metodologia proposta e eventuais situações em que a metodologia clássica, envolvendo o conceito do RMG, apresenta algumas imprecisões derivadas da distribuição não uniforme da corrente em condutores múltiplos assimétricos ou pouco convencionais / Abstract: The present work describes an alternative methodology to evaluate the longitudinal and transversal parameters of a generic bundled conductor, based on the configuration of an equivalent conductor. The proposed methodology considers precisely the mutual coupling among subconductors of the bundle, the distributed nature of parameters and the current distribution through subconductors. The parameters are calculated and analyzed using the proposed alternative methodology and the classic procedure, based on equivalent conductor applying the concept of Geometric Mean Radius (GMR), for several bundled conductors, symmetric or nonsymmetric, conventional or non-conventional. Subsequently, the obtained results are compared to both methods and then it is possible to verify the efficacy of the proposed methodology and eventual situations where the classic methodology, based on RMG concept, presents inaccuracies due to the non-uniform distribution of the current in non-symmetric or non-conventional bundled conductors / Mestre

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

Orientador: João Antonio Pereira / Banca: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Banca: Edson Antonio Capello Sousa / Resumo: Em muitos problemas do nosso cotidiano ocorre acoplamento entre a resposta acústica no interior de uma cavidade e a excitação estrutural em um de seus contornos flexíveis, bem como a resposta estrutural nestes contornos também está relacionada à fonte acústica da cavidade. Interior de automóveis, cabine de caminhões e fuselagem de aviões são apenas alguns exemplos práticos destes tipos de sistemas. Acoplamento implica que o comportamento dos sistemas acústico e estrutural não são independentes um do outro, e ambos devem ser considerados como um único sistema global. O propósito deste trabalho é avaliar a técnica de matrizes compactas na solução de problema de acoplamento vibroacústico em cavidades de geometria regular e irregular. Preliminarmente, a análise do acoplamento vibro-acústico é baseado no método dos elementos finitos e o conjunto de equações não simétricas que modela o movimento é discutida. A aproximação vibro-acústica por matrizes compactas é feita utilizando conceitos de impedância e mobilidade. No modelo de matrizes compactas, o acoplamento é obtido através da avaliação dos modos acústicos e estruturais desacoplados da cavidade e da estrutura flexível, respectivamente. Simulações numéricas utilizando o método dos elementos finitos e a técnica de matrizes compactas são apresentadas para modelos vibro-acústicos de geometria regular e irregular. Testes experimentais são realizados em uma cavidade irregular feita de PVC e aço. A metodologia de análise dos resultados é baseada nas FRF(s) definidas pelas relações entre a resposta em pressão acústica da cavidade e a força estrutural e entre a resposta em velocidade e a força estrutural aplicada sobre a superfície flexível. A comparação dos modelos numéricos e experimentais mostra o potencial da técnica de matrizes compactas. / Abstract: In many systems of day-life occurs the coupling between the acoustical response in a cavity and a structural excitation on a flexible boundary, whereas the structural response in this same boundary is also related to acoustical excitation source. Car interiors, cabs of trucks and aircraft fuselage are a just a few practical examples of this sort of systems. Coupling implies that the acoustical and structural system behavior is not independent from each other, and therefore they must be considered as a global system behavior. The aim of this work is to evaluate a compact matrix formulation to solve vibro-acoustic problems in regular and irregular shape cavity. Preliminary, the vibro-acoustic coupling analysis is based on finite element method and the set of non-symmetric equation that represents the movement is discussed. The compact matrix formulation approaches have been done using impedance and mobility concepts. In compact matrix model, the coupling is obtained by evaluating the uncoupled acoustic modes and structural modes of the cavity and flexible structure, respectively. Numerical simulation using the finite element method and the compact matrix formulation are shown for regular and irregular shape cavity model. Experimental tests are evaluated in an irregular rigid cavity made of PVC and steel. The results analysis methodology is based on FRF(s) defined by the relationship between the pressure acoustic response in the cavity and structural force and between the velocity response and structural force applied on the flexible boundary. The comparison of numerical and experimental models shows the potential of the compact matrix formulation. / Mestre