Esta dissertação tem como objetivo principal realizar uma investigação sobre técnicas de identificação e caracterização de não linearidades em dinâmica estrutural. Em particular, busca-se aplicar as transformadas de Hilbert e Hilbert-Huang na identificação e caracterização de um sistema estrutural composto de uma viga metálica em balanço com uma massa concentrada em sua extremidade livre e apresentando uma não linearidade cúbica. Este efeito não linear é obtido através de um fio metálico tracionado que é fixo à extremidade livre da viga em balanço. O sistema é modelado através de ferramentas analíticas convencionais e o modelo do sistema é usado em simulações numéricas. Ensaios experimentais de vibração livre são realizados e os sinais medidos são usados como dados de entradas nas transformadas afim de se investigar o fenômeno não linear presente na estrutura. Os resultados simulados numéricamente apresentaram uma excelente correlação com os resultados experimentais no que se refere à identificação e caracterização do efeito não linear cubico presente no sistema. Algumas distorções entre resultados simulados e experimentais foram observados no que se refere à quantificação do parâmetro não linear, mas de forma geral, as técnicas empregadas produziram resultados bastante satisfatórios. / The major goal of this dissertation is to investigate currently available techniques to the identification and characterization of nonlinearities in structural dynamics. Particular attention is paid to the application of the Hilbert and Hilbert-Huang transforms in the nonlinearity identification and characterization process. For that purpose, a structural system composed of a steel cantilever beam carrying a lumped mass at its free end is used. The nonlinear effect is introduced by attaching the lumped mass to a thin steel wire that is positioned transversely to the beam\'s longitudinal axis. By varying the traction force on this wire different levels of nonlinearity can be observed on the beam\'s bending motion when it undergoes free vibrations. The system analytical model is obtained by employing standard modeling techniques and this model is used in numerical simulations. An experimental survey is carried out on an actual prototype in order to provide a comparison basis for the numerically simulated results. The output vibration signals resulting from either the numerical simulations and experimental tests are then used with the transform methods studied and the results are compared. A good correlation is observed between numerical and experimental data, what is a clear indication of the robustness of the Hilbert and Hilbert-Huang transforms.

Most engineering structures include nonlinearity to some degree. Depending on the dynamic conditions and level of external forcing, sometimes a linear structure assumption may be justified. However, design requirements of sophisticated structures such as satellites, stabilized weapon systems and radars may require nonlinear behavior to be considered for better performance. Therefore, it is very important to successfully detect, localize and parametrically identify nonlinearity in such cases. In engineering applications, the location of nonlinearity and its type may not be always known in advance. Furthermore, as the structure will be excited from only a few coordinates, the frequency response function matrices will not be complete. In order to parametrically identify more than one type of nonlinearity which may co-exist at the same location with the above mentioned limitations, a method is proposed where restoring force surface plots are used which are evaluated by describing function inversion. Then, by reformulating this method, a second method is proposed which can directly evaluate the total describing function of more than one type of nonlinearity which may co-exist at the same location without using any linear frequency response function matrix. It is also aimed in this study to use the nonlinearity localization formulations for damage localization purposes. The validation of the methods developed in this study is demonstrated with case studies based on simulated experiments, as well as real experiments with nonlinear structures and it is concluded that the methods are very promising to be used in engineering structures.

Esta dissertação tem como objetivo principal realizar uma investigação sobre técnicas de identificação e caracterização de não linearidades em dinâmica estrutural. Em particular, busca-se aplicar as transformadas de Hilbert e Hilbert-Huang na identificação e caracterização de um sistema estrutural composto de uma viga metálica em balanço com uma massa concentrada em sua extremidade livre e apresentando uma não linearidade cúbica. Este efeito não linear é obtido através de um fio metálico tracionado que é fixo à extremidade livre da viga em balanço. O sistema é modelado através de ferramentas analíticas convencionais e o modelo do sistema é usado em simulações numéricas. Ensaios experimentais de vibração livre são realizados e os sinais medidos são usados como dados de entradas nas transformadas afim de se investigar o fenômeno não linear presente na estrutura. Os resultados simulados numéricamente apresentaram uma excelente correlação com os resultados experimentais no que se refere à identificação e caracterização do efeito não linear cubico presente no sistema. Algumas distorções entre resultados simulados e experimentais foram observados no que se refere à quantificação do parâmetro não linear, mas de forma geral, as técnicas empregadas produziram resultados bastante satisfatórios. / The major goal of this dissertation is to investigate currently available techniques to the identification and characterization of nonlinearities in structural dynamics. Particular attention is paid to the application of the Hilbert and Hilbert-Huang transforms in the nonlinearity identification and characterization process. For that purpose, a structural system composed of a steel cantilever beam carrying a lumped mass at its free end is used. The nonlinear effect is introduced by attaching the lumped mass to a thin steel wire that is positioned transversely to the beam\'s longitudinal axis. By varying the traction force on this wire different levels of nonlinearity can be observed on the beam\'s bending motion when it undergoes free vibrations. The system analytical model is obtained by employing standard modeling techniques and this model is used in numerical simulations. An experimental survey is carried out on an actual prototype in order to provide a comparison basis for the numerically simulated results. The output vibration signals resulting from either the numerical simulations and experimental tests are then used with the transform methods studied and the results are compared. A good correlation is observed between numerical and experimental data, what is a clear indication of the robustness of the Hilbert and Hilbert-Huang transforms.