Submitted by Mateus de Andrade Zanitti (mateuszanitti@hotmail.com) on 2018-06-29T14:33:25Z No. of bitstreams: 1 Mateus_Zanitti.pdf: 5438696 bytes, checksum: 7b89dea41803feb908ac9a925a1476a6 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-06-29T14:46:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 zanitti_ma_me_ilha.pdf: 5727118 bytes, checksum: 3fcb4fd3093903b37c0ec52a3df572ff (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-29T14:46:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 zanitti_ma_me_ilha.pdf: 5727118 bytes, checksum: 3fcb4fd3093903b37c0ec52a3df572ff (MD5) Previous issue date: 2018-06-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho trata do desenvolvimento, análise e validação das equações do movimento de vigas flexíveis girantes formulada pelo método dos Elementos Finitos. A modelagem da viga é feita através do modelo proposto de viga de Euler-Bernoulli e a deformação é representada pelo tensor de deformação de Green-Lagrange. As equações globais para os modos longitudinal, lag e flap são obtidas pelo método de energia de Lagrange e a discretização é feita pelo método dos Elementos Finitos. São propostos modelos de viga elementar com dois e três graus de liberdade por nó e sua validação é feita, num primeiro momento, pela comparação das frequências naturais e posteriormente pela resposta, em regime transiente, dos deslocamentos da viga, através da comparação dos resultados obtidos com os dados disponíveis na literatura, sendo que a influência do acoplamento entre os modos longitudinal e lag é investigada para a dinâmica em regime transiente. O trabalho termina comentando as potencialidades da proposta apresentada, discutindo as facilidades e dificuldades encontradas na sua implementação e apontamentos para o desenvolvimento de trabalhos futuros. / This work deals with the development, analysis and validation of the motion equations of the flexible rotating beams formulated by the Finite Element method. The beam modeling is done through the proposed Euler-Bernoulli beam model and the deformation is represented by the Green-Lagrange deformation tensor. The global equations for the longitudinal, lag and flap modes are obtained by the Lagrange energy method and the discretization is done by the Finite Element method. A discrete beam model with two and three degrees of freedom per node is proposed and its validation is done, firstly, by comparing the natural frequencies and later by the transient response of the beam displacements, by comparing the results obtained with the data available in the literature, and the influence of the coupling between the longitudinal and lag modes is investigated for the transient dynamics. This work is concluded presenting the potentialities of the design methodology proposed and future developments to be implemented.

Orientador: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Resumo: Este trabalho trata do desenvolvimento, análise e validação das equações do movimento de vigas flexíveis girantes formulada pelo método dos Elementos Finitos. A modelagem da viga é feita através do modelo proposto de viga de Euler-Bernoulli e a deformação é representada pelo tensor de deformação de Green-Lagrange. As equações globais para os modos longitudinal, lag e flap são obtidas pelo método de energia de Lagrange e a discretização é feita pelo método dos Elementos Finitos. São propostos modelos de viga elementar com dois e três graus de liberdade por nó e sua validação é feita, num primeiro momento, pela comparação das frequências naturais e posteriormente pela resposta, em regime transiente, dos deslocamentos da viga, através da comparação dos resultados obtidos com os dados disponíveis na literatura, sendo que a influência do acoplamento entre os modos longitudinal e lag é investigada para a dinâmica em regime transiente. O trabalho termina comentando as potencialidades da proposta apresentada, discutindo as facilidades e dificuldades encontradas na sua implementação e apontamentos para o desenvolvimento de trabalhos futuros. / Abstract: This work deals with the development, analysis and validation of the motion equations of the flexible rotating beams formulated by the Finite Element method. The beam modeling is done through the proposed Euler-Bernoulli beam model and the deformation is represented by the Green-Lagrange deformation tensor. The global equations for the longitudinal, lag and flap modes are obtained by the Lagrange energy method and the discretization is done by the Finite Element method. A discrete beam model with two and three degrees of freedom per node is proposed and its validation is done, firstly, by comparing the natural frequencies and later by the transient response of the beam displacements, by comparing the results obtained with the data available in the literature, and the influence of the coupling between the longitudinal and lag modes is investigated for the transient dynamics. This work is concluded presenting the potentialities of the design methodology proposed and future developments to be implemented. / Mestre

A designação de estruturas próprias de sistemas dinâmicos com retroação completa de estados ou saídas foi objeto de estudo de muitos pesquisadores durante a segunda metade do século XX. Os trabalhos mais relevantes sobre o tema foram revisados e serviram como base para a elaboração da metodologia apresentada neste trabalho. Que consiste na designação de estruturas próprias desejadas para um sistema linear em malha aberta com a modificação de parâmetros do sistema através da pseudo retroação de saídas devidamente definidas. O método foi aplicado na coxinização de um veículo de passeio. No qual os modos de vibrar de modelos lineares com 7 e 8 graus de liberdade do veículo foram adequados com o intuito de reduzir as acelerações verticais de chassi, características do fenômeno shake de motor e câmbio (faixa de frequência entre 7 e 25 Hz). Para tanto, reduziu-se a participação do grau de liberdade vertical de chassi nos modos com grande participação dos graus de liberdade de motor e massa não suspensa. Os resultados obtidos com a aplicação da metodologia na coxinização foram valores de rigidezes, amortecimentos e características de coxins hidráulicos que resultam na redução significativa da aceleração vertical de chassi, que implica em uma melhora perceptível para o consumidor na qualidade do conforto do veículo. / Eigenstructure assignment using full state or output feedback control had been object of study of many researchers during the second half of XX century. The most important works about eigenstructure assignment were reviewed, specially some applications within aerospace industry, that was the responsible for developing all the theory concerning pole and eigenvector placement. The review of the related theory was also based on the pioneering and most expressive works and were base for the methodology developed and described in this work. Which consists basically on the assignment of some desired eigensctructure of open loop linear systems modifying some parameters of the systems by means pseudo feedback of some outputs into inputs specifically defined. This methodology was applied to a 8 DOF vehicle model, a case of study, in order to adequate the system modes changing engine mounts parameters to improve the vehicle ride comfort, mainly eigenstructures about powertrain shake range frequencies.

Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components), a qual é confiável, eficiente e evita o problema de travamento por cisalhamento. A formulação de OT é baseada no modelo PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combinado ao RAMP (Rational Approximation of Material Properties), no qual variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material piezelétrico em cada elemento finito. Foram definidas funções multiobjetivo para os problemas de otimização quasi -estáticos e dinâmicos. Ao passo que o primeiro maximiza deslocamentos ou tensões elétricas de saída, e evita frequências de ressonância próximas à faixa de trabalho, o segundo projeta os modos de vibrar da estrutura, controla as frequências de ressonância e maximiza o CAEM do transdutor. Este texto apresenta o ciclo de projeto completo para transdutores baseados em placas piezelétricas concebidos através do MOT, apresentando a metodologia utilizada, as formulações dos problemas de otimização, a implementação numérica, os resultados computacionais obtidos, a fabricação e a caracterização de transdutores piezelétricos otimizados para validação experimental dos resultados obtidos pela OT. / Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of the so called Smart Structures, including the development of actuators for cooling and fluid pumping applications, transducers for novel energy harvesting devices, and many other application with quasi -static and dynamic requirements. This thesis proposes the development of a Topology Optimization (TO) formulation to design piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired quasi -static and dynamic behavior with maximization of displacements or output voltages, specified vibration frequencies and modes, and maximization of the Electromechanical Coupling Coefficient (EMCC). The Topology Optimization Method (TOM) is a powerful structural optimization technique which combines the Finite Element Method (FEM) with optimization algorithms and aims at distributing material over a design domain to accomplish with previously set objectives. The finite element employs a piezoelectric plate formulation capable of representing both direct and converse piezoelectric effects. It is based on the MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components) formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combined with the RAMP model (Rational Approximation of Material Properties), where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element. Multiobjective functions are defined for the quasi -static and dynamic optimization problems. While the former aims at maximizing displacements or output voltages and avoiding resonance frequencies near its working range, the latter aims at designing the vibration mode, controlling the resonance frequency and maximizing the EMCC of the transducer. This text presents the complete design cycle for transducers based on piezoelectric plates designed by using the TOM and shows the applied methodology, optimization problem formulation, numerical implementation, achieved computational results, and the assembly and characterization of optimized piezoelectric transducers for experimental validation of the TO results.

Sensores e atuadores baseados em placas piezelétricas têm apresentado uma crescente demanda no campo denominado Estruturas Inteligentes, incluindo o desenvolvimento de atuadores para aplicações de resfriamento e bombeamento de fluidos, transdutores para novos coletores de energia, e diversas outras aplicações que apresentem requisitos quasi -estáticos e dinâmicos. Esta tese propõe o desenvolvimento de uma formulação de Otimização Topológica (OT) para o projeto de transdutores piezelétricos através da distribuição de material sobre um substrato metálico com o intuito de obter um comportamento quasi -estático e dinâmico desejado com maximização de deslocamentos ou tensão elétrica de saída, especificação de frequências e modos de vibrar, e maximização do Coeficiente de Acoplamento Eletromecânico (CAEM). O Método de Otimização Topológica (MOT) é uma poderosa técnica de otimização estrutural que combina o Método de Elementos Finitos (MEF) com algoritmos de otimização e tem como objetivo a distribuição de material num domínio de projeto para satisfação de objetivos previamente especificados. A modelagem por elementos finitos emprega uma formulação de placa piezelétrica capaz de representar os efeitos piezelétricos direto e inverso. Ela baseia-se na formulação MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components), a qual é confiável, eficiente e evita o problema de travamento por cisalhamento. A formulação de OT é baseada no modelo PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combinado ao RAMP (Rational Approximation of Material Properties), no qual variáveis de projeto são as pseudo-densidades que descrevem a quantidade de material piezelétrico em cada elemento finito. Foram definidas funções multiobjetivo para os problemas de otimização quasi -estáticos e dinâmicos. Ao passo que o primeiro maximiza deslocamentos ou tensões elétricas de saída, e evita frequências de ressonância próximas à faixa de trabalho, o segundo projeta os modos de vibrar da estrutura, controla as frequências de ressonância e maximiza o CAEM do transdutor. Este texto apresenta o ciclo de projeto completo para transdutores baseados em placas piezelétricas concebidos através do MOT, apresentando a metodologia utilizada, as formulações dos problemas de otimização, a implementação numérica, os resultados computacionais obtidos, a fabricação e a caracterização de transdutores piezelétricos otimizados para validação experimental dos resultados obtidos pela OT. / Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of the so called Smart Structures, including the development of actuators for cooling and fluid pumping applications, transducers for novel energy harvesting devices, and many other application with quasi -static and dynamic requirements. This thesis proposes the development of a Topology Optimization (TO) formulation to design piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired quasi -static and dynamic behavior with maximization of displacements or output voltages, specified vibration frequencies and modes, and maximization of the Electromechanical Coupling Coefficient (EMCC). The Topology Optimization Method (TOM) is a powerful structural optimization technique which combines the Finite Element Method (FEM) with optimization algorithms and aims at distributing material over a design domain to accomplish with previously set objectives. The finite element employs a piezoelectric plate formulation capable of representing both direct and converse piezoelectric effects. It is based on the MITC (Mixed Interpolation of Tensorial Components) formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization) combined with the RAMP model (Rational Approximation of Material Properties), where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element. Multiobjective functions are defined for the quasi -static and dynamic optimization problems. While the former aims at maximizing displacements or output voltages and avoiding resonance frequencies near its working range, the latter aims at designing the vibration mode, controlling the resonance frequency and maximizing the EMCC of the transducer. This text presents the complete design cycle for transducers based on piezoelectric plates designed by using the TOM and shows the applied methodology, optimization problem formulation, numerical implementation, achieved computational results, and the assembly and characterization of optimized piezoelectric transducers for experimental validation of the TO results.

A designação de estruturas próprias de sistemas dinâmicos com retroação completa de estados ou saídas foi objeto de estudo de muitos pesquisadores durante a segunda metade do século XX. Os trabalhos mais relevantes sobre o tema foram revisados e serviram como base para a elaboração da metodologia apresentada neste trabalho. Que consiste na designação de estruturas próprias desejadas para um sistema linear em malha aberta com a modificação de parâmetros do sistema através da pseudo retroação de saídas devidamente definidas. O método foi aplicado na coxinização de um veículo de passeio. No qual os modos de vibrar de modelos lineares com 7 e 8 graus de liberdade do veículo foram adequados com o intuito de reduzir as acelerações verticais de chassi, características do fenômeno shake de motor e câmbio (faixa de frequência entre 7 e 25 Hz). Para tanto, reduziu-se a participação do grau de liberdade vertical de chassi nos modos com grande participação dos graus de liberdade de motor e massa não suspensa. Os resultados obtidos com a aplicação da metodologia na coxinização foram valores de rigidezes, amortecimentos e características de coxins hidráulicos que resultam na redução significativa da aceleração vertical de chassi, que implica em uma melhora perceptível para o consumidor na qualidade do conforto do veículo. / Eigenstructure assignment using full state or output feedback control had been object of study of many researchers during the second half of XX century. The most important works about eigenstructure assignment were reviewed, specially some applications within aerospace industry, that was the responsible for developing all the theory concerning pole and eigenvector placement. The review of the related theory was also based on the pioneering and most expressive works and were base for the methodology developed and described in this work. Which consists basically on the assignment of some desired eigensctructure of open loop linear systems modifying some parameters of the systems by means pseudo feedback of some outputs into inputs specifically defined. This methodology was applied to a 8 DOF vehicle model, a case of study, in order to adequate the system modes changing engine mounts parameters to improve the vehicle ride comfort, mainly eigenstructures about powertrain shake range frequencies.