Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an emerging method for non-invasive breast cancer screening. It takes the MRI displacement data output and reconstructs the internal stiffness distribution, where cancerous tissue is approximately five to ten times stiffer than healthy breast tissue. Hence, MRE offers a high contrast solution to this diagnostic problem. Current MRE methods for reconstructing stiffness use forward simulation based optimization methods that are highly non-linear, non-convex and very heavy computationally. This research develops integral-based inverse problem solutions that reformulate the underlying differential equations in terms of integrals of MRI measured displacement data, and this transforms the problem into a linear, convex optimization. All derivative terms in the formulation are removed by special choice of integration limits, so no smoothing or filtering of the input data is required. The resulting equations can easily be solved by linear least squares requiring very minimal computation. 1D inverse algorithms were developed to provide a proof of concept of the integral-based method. Initially, the complete compressible 2D Navier's equations were used to develop the 2D inverse methods. Reasonable results were achieved with the algorithm successfully identifying a 1cm by 1cm tumour with up to 10% noise, data resolution of 20 measured points per cm and actuation frequencies of 100Hz. However, for the same input data set, a simplified incompressible 2D model was used as the basis for the final proposed inverse algorithm. This approach significantly improved results by removing ill-conditioned terms from the original formulation. For a 1cm by 1 cm tumour, accurate results were obtained with up to 40% noise, a range of actuation frequencies and very low data resolution of the order of 2 measured points per cm. These results thus indicate that more crude and less expensive data measurement systems could be used to obtain good results. The methods developed can be readily extended to 3D by applying a similar incompressible integral formulation to the 3D Navier's equations.

<p>The focus of this dissertation is on phenomena exhibited by multistable systems. Two phenomena of particular importance are chaos control and stochastic resonance. In this work, both models that can predict ordered responses and experiments in which ordered responses occur are explored. In addition, parameter identification methods are presented and improved. </p><p>Chaos control, when implemented with delays, can be an effective way to stabilize unstable periodic orbits within a multistable system experiencing a chaotic response. Delayed control is easy to implement physically but greatly increases the complexity of analyzing such systems. In this work, the spectral element method was adapted to evaluate unstable periodic orbits stabilized by feedback control implemented with delays. Examples are presented for Duffing systems in which the delay is equal to the forcing period. The spectral approach is also extended to analyze the control of chaos with arbitrary delays. Control with arbitrary delays can also be used to stabilize equilibria within the chaotic response. These methods for arbitrary delays are explored in self-excited, chaotic systems.</p><p>Stochastic resonance occurs in multistable systems when an increase in noise results in an ordered response. It is well known that noise excitation of multistable systems results in the system escaping from potential wells or switching between wells. In stochastic resonance, a small external signal is amplified due to these switching events. Methods for modeling stochastic resonance in both underdamped and overdamped systems are presented. In addition, stochastic resonance in a bistable, composite beam excited by colored noise is investigated experimentally. The experimental results are compared with analytical models, and the effect of modal masses on the analytical expressions is explored. Finally, an alternative approach for calculating the effect of colored noise excitation is proposed.</p><p>In order to implement analysis methods related to delay differential equations or stochastic resonance, the parameters of the system must be known in advance or determined experimentally. Parameter identification methods provide a natural connection between experiment and theory. In this work, the harmonic balance parameter identification method was applied to beam energy harvesters and is improved using weighting matrices. The method has been applied to a nonlinear, bistable, piezoelectric beam with a tip mass. Then, an experimental method of determining the number of restoring force coefficients necessary to accurately model the systems was demonstrated. The harmonic balance method was also applied to a bistable, beam system undergoing stochastic resonance. Finally, a new weighting strategy is presented based on the signal to noise ratio of each harmonic.</p> / Dissertation

Good process control is often critical for the economic viability of large-scale production of several commercial products. In this work, the production of biodiesel from microalgae is investigated. Successful implementation of a model-based control strategy requires the identification of a model that properly captures the biochemical dynamics of microalgae, yet is simple enough to allow its implementation for controller design. For this purpose, two model reparameterization algorithms are proposed that partition the parameter space into estimable and inestimable subspaces. Both algorithms are applied using a first principles ODE model of a microalgal bioreactor, containing 6 states and 12 unknown parameters. Based on initial simulations, the non-linear algorithm achieved better degree of output prediction when compared to the linear one at a greatly decreased computational cost. Using the parameter estimates obtained through implementation of the non-linear algorithm on experimental data from a fed-batch bioreactor, the possible improvement in volumetric productivity was recognized. / Process Control

O complexo 1,4-bis(2,6-diisopropilfenil)-acenaftenodiimina-dicloroníquel(II) (1), em combinação com metilaluminoxano (MAO) foi utilizado para polimerizar eteno utilizando altas pressões e temperaturas. Foram investigados os efeitos da pressão de eteno, da temperatura, do tempo de reação e da quantidade de catalisador bem como, as propriedades dos polietilenos sintetizados. Os polietilenos obtidos com o sistema (1)/MAO foram altamente ramificados. As ramificações variaram de metil até hexil ou até mais longas, sem adição de comonômero. Os polietilenos não apresentaram metilas isoladas, apresentando uma grande quantidade de metilas 1,4, metilas 1,5 e metilas 1,6 e cadeias longas. A presença de ramificações foi devido ao mecanismo denominado chain-walking. Os valores de ramificações nos PE foram maiores que 105 e menores que 277 ramificações/1000C. O aumento do número de ramificações foi devido ao aumento na temperatura de polimerização e uma diminuição da pressão de eteno. Os PE obtidos com o sistema (1)/MAO apresentaram peso molecular (Mw) elevado entre 44.000 e 105.000 Daltons e valores de polidispersão de 2,0 a 4,0, dependendo das condições reacionais. O peso molecular dos polímeros diminuiu com o aumento da temperatura de polimerização. / The combination of 1,4-bis(2,6-diisopropylphenyl)-acenaphthenediiminedichloronickel( II) (1) and methylaluminoxane (MAO) was highly active in ethylene polymerization under high pressures and temperatures. Herein we investigated the effects of ethylene pressure, reaction temperature, reaction time and amount of catalyst on polymer properties and reaction performance. The polyethylenes obtained with 1/MAO are highly branched. The branches goes from methyl to hexyl or even longer, and this without comonomer addition. These polyethylenes obtained do not shows isolated methyl groups, but shows 1,4-methyl, 1,5 and 1,6 methyl patterns. The branching was due to the so-called chain-walking mechanism. The branch content, which is in the range 105 to 277 branches/1000 C, increased with the temperature rising or the ethylene concentration decrease. The polyethylenes produced with these system have molecular weight between 44.000 and 105.000 Daltons and polydispersions from 2,0 to 4,0 depending on the reactions conditions. The polymer molecular weight tended to decrease with increasing polymerization temperature.

A simulação numérica de componentes estmturais necessita de dados do material que são obtidos por ensaios mecânicos. Materiais não-lineares, como termoplásticos, podem apresentar em ensaios de tração estricção quando submetidos à deformações firútas. Este fenômeno normalmente ainda está associado a campos de deformações heterogêneos que possuem uma cinemática particular, se propagando ao longo do corpo. A formação e propagação da estricção podem mascarar o real comportamento mecârúco do material quando obtido por um ensaio de tração, levando o processo de caracterização da curva tensão-deformação real do material a um procedimento não-trivial. Através de um ensaio de tração de um termoplástico, dados experimentais de força e do campo de deslocamentos da região de estricção, obtido através de métodos ópticos, são utilizados em um procedimento numérico-experimental de otimização para a deternúnação dos parâmetros (FEMU) de alguns modelos constitutivos capazes de representar a tendência do comportamento de termoplásticos. De modo a estudar a capacidade representativa da resposta mecânica do ensaio, um modelo constitutivo multi linear e um modelo constitutivo variacional, são estudados. Uma função objetivo conveniente que utiliza dados experimentais e numéricos é usada para considerar a cinemática da estricção, responsável pela mudança geométrica que diferencia as respostas nonúnais e reais da curva tensão-deformação. Por meio dos resultados obtidos neste trabalho verificou-se que a caracterização dos modelos constitutivos utilizando somente a resposta de força, não garante uma caracterização constitutiva adequada, sendo necessária a resposta de deslocamento para garantir a representação da cinemática da região de estricção. / Numerical simulation of structural components requires material data obtained from mechanical testing. Nonlinear materials, like thermoplastics, submitted to tensile testing presents necking undergoing finite strain. This phenomenon is still typically associated to heterogeneous strain fields which possess a particular kinematic, propagating through the body. Necking and colddrawing may mask the actual mechanical behavior measured by a tensile testing machine, turning the real stress-strain curve characterization process into a non-trivial procedure. Through a thermoplastic tensile testing, force experimental data and displacement experimental data from the necking region, obtained by optical methods, are used in a numerical-experimental optimization procedure in order to determine the constitutive parameters (FEMU) from some constitutive models which are able to represent the thermoplastic behavior tendency. In order to study the representative capacity of the mechanical testing response, a multilinear constitutive model and a variational constitutive model, are studied. A suitable objective function which uses experimental and numerical data is used to consider the necking kinematics, responsible for geometric change that distinguishes the nominal and real responses of the stress-strain curve. Through the obtained results, it can be seen that the model parameters determination using, in addition to force, the displacement field in the objective function is necessary to represent the kinematic behavior in the necking region.

O complexo 1,4-bis(2,6-diisopropilfenil)-acenaftenodiimina-dicloroníquel(II) (1), em combinação com metilaluminoxano (MAO) foi utilizado para polimerizar eteno utilizando altas pressões e temperaturas. Foram investigados os efeitos da pressão de eteno, da temperatura, do tempo de reação e da quantidade de catalisador bem como, as propriedades dos polietilenos sintetizados. Os polietilenos obtidos com o sistema (1)/MAO foram altamente ramificados. As ramificações variaram de metil até hexil ou até mais longas, sem adição de comonômero. Os polietilenos não apresentaram metilas isoladas, apresentando uma grande quantidade de metilas 1,4, metilas 1,5 e metilas 1,6 e cadeias longas. A presença de ramificações foi devido ao mecanismo denominado chain-walking. Os valores de ramificações nos PE foram maiores que 105 e menores que 277 ramificações/1000C. O aumento do número de ramificações foi devido ao aumento na temperatura de polimerização e uma diminuição da pressão de eteno. Os PE obtidos com o sistema (1)/MAO apresentaram peso molecular (Mw) elevado entre 44.000 e 105.000 Daltons e valores de polidispersão de 2,0 a 4,0, dependendo das condições reacionais. O peso molecular dos polímeros diminuiu com o aumento da temperatura de polimerização. / The combination of 1,4-bis(2,6-diisopropylphenyl)-acenaphthenediiminedichloronickel( II) (1) and methylaluminoxane (MAO) was highly active in ethylene polymerization under high pressures and temperatures. Herein we investigated the effects of ethylene pressure, reaction temperature, reaction time and amount of catalyst on polymer properties and reaction performance. The polyethylenes obtained with 1/MAO are highly branched. The branches goes from methyl to hexyl or even longer, and this without comonomer addition. These polyethylenes obtained do not shows isolated methyl groups, but shows 1,4-methyl, 1,5 and 1,6 methyl patterns. The branching was due to the so-called chain-walking mechanism. The branch content, which is in the range 105 to 277 branches/1000 C, increased with the temperature rising or the ethylene concentration decrease. The polyethylenes produced with these system have molecular weight between 44.000 and 105.000 Daltons and polydispersions from 2,0 to 4,0 depending on the reactions conditions. The polymer molecular weight tended to decrease with increasing polymerization temperature.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-07-29Bitstream added on 2014-06-13T19:55:34Z : No. of bitstreams: 1 santos_kac_me_ilha.pdf: 2835945 bytes, checksum: c558fa3df558636f50b76fdd657c5ff5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nas técnicas de identificação de parâmetros, procuram-se determinar os valores desconhecidos pela manipulação dos sinais de entrada e saída do sistema. O tratamento e análise de sinais são relativamente recentes na engenharia, sendo que seu desenvolvimento deu-se juntamente com o dos sensores e condicionadores de sinais e mais recentemente, com os sistemas automáticos de aquisição de dados. Vários métodos têm sido propostos para resolver problemas de identificação, embora nenhum deles possa ser considerado como sendo universalmente adequado a todas as situações. Conhecendo-se os parâmetros dos sistemas, pode-se acompanhar através de monitoramento e técnicas de identificação, a evolução de possíveis falhas devido à variação destes parâmetros. Os processos de identificação, a partir de funções ortogonais, começam com a construção de uma matriz operacional, o que permite, através de integrações a conversão de um conjunto de equações diferenciais em um conjunto de equações algébricas e consequentemente a obtenção dos parâmetros desconhecidos. Neste trabalho, apresentam-se as técnicas de Identificação de Parâmetros utilizando as funções ortogonais de Fourier e polinomiais de Legendre e Chebyshev. / In the parameter identification techniques, it is important to determine the unknown values in the manipulation of input and output signal of the system. The treatment and analysis of signals are relatively recent in the engineering, and its development took place with the sensors and the signal conditioning and recently, with the automatic data acquisition systems. Various methods have been proposed to solve identification problems, although any of them can be regarded universally adequate to all the situations. If the parameters of the systems, is known it can be accompanied, through monitoring and identification techniques, the evolution of possible fault due to the variation of the parameters. The identification process, from these types of functions, start with the construction of an operational matrix for the integration of orthogonal bases vectors, which allow the conversion of a differential equation set to a algebraic equation set, obtaining the unknown parameters. In this work, the parameter identification techniques used, the orthogonal functions of Fourier and polynomial of Legendre and Chebyshev, is presented.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-09-30Bitstream added on 2014-06-13T18:31:09Z : No. of bitstreams: 1 caldiron_l_me_ilha_prot.pdf: 995296 bytes, checksum: dc02ada2316a49ff3c8fd3dca71338ba (MD5) / Neste trabalho são otimizadas rotinas computacionais de um método de estimação de rigidez de mancais de máquinas através de um processo de ajuste de modelo, utilizando a análise de sensibilidade. Este método consiste em utilizar a análise de sensibilidade dos autovalores com relação à variação da rigidez dos mancais de um rotor. A eficácia e a robustez do método são analisadas através de simulações teóricas, bem como através de dados experimentais obtidos de um rotor de rotação variável e rigidezes dos mancais ajustáveis. O modelo matemático de ajuste do sistema é desenvolvido pelo método dos elementos finitos e o método de ajuste converge empregando-se um processo iterativo. Este método de ajuste baseia-se na minimização da diferença entre autovalores experimentais e autovalores obtidos com o modelo matemático de ajuste a partir de valores de rigidez dos mancais previamente adotados. A análise é feita com o rotor em diversas velocidades de rotação para verificar a influência do efeito giroscópio, e em diversas condições de valores da rigidez dos mancais para analisar o método quando aplicado em rotores flexíveis e em rotores rígidos. O desempenho do método é analisado com resultados teóricos e experimentais. / In this work, computational routines of estimation method of stiffness bearing of machine via a model updating process are optimized, using the sensitivity analysis. This method consists of using the eigenvalue sensitivity analysis, relating to the stiffness bearing variation of a rotor. The efficacy and the robustness of the method are analyzed through the theoretical simulations, as well as, based on the experimental data obtained of a test rotor with variable rotating speeds and adjustable bearing stiffness values. The mathematical model system is developed by the finite element method and the method of adjustment should converge employing an iterative process. The method of adjustment is based on the minimization of the difference between experimental eigenvalues and eigenvalues obtained via mathematical model from previously adopted stiffness bearing values. The analysis is made by using the rotor in different rotating speeds in order to check the influence of the gyroscopic effect, and in several conditions of the stiffness bearing values to analyze the method when applied on flexible and rigid rotors. The performance of the method is analyzed through theoretical and experimental results.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pre_textuais.pdf: 46211 bytes, checksum: dce5172d88a6845f1b31230f1e6211fd (MD5) Previous issue date: 2010-07-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The recent advancements in numerical methods have led to the development of commercial software specifically designed to simulate metal forming processes, such as forging, extrusion and deep drawing amongst others. The simulation of these problems requires a prior knowledge of the mechanical properties of materials, e.g. elastic and plastic parameters. Therefore, it is important to develop strategies and algorithms able to accurately evaluate such properties. The present work is inserted within such context and aims at studying and implementing methodologies, known as parameter identification, to determine the yield stress and hardening parameters. This technique combines (i) numerical modelling of the elasticplastic deformation process and (ii) optimization methodologies to determine material parameters. The former uses the finite element method allied to an implicit time integration scheme based upon an updated Lagrangean formulation for elastic-plastic materials at finite trains, whereas the latter is makes use of six distinct approaches, i.e., iterative onedimensional golden section and bisection techniques, multi-dimensional steepest descent and the BFGS quasi-Newton gradient-based method, evolutionary algorithm, based on a genetic algorithm, and a hybrid algorithm proposed in this work. The latter combines the evolutionary algorithm and the BFGS quasi-Newton gradient-based method. The parameter identification methodology was first applied to a reference problem aiming at validating and studying the characteristics of the optimization methods used in this work. The hybrid algorithm was used to identify the parameters of the hardening curve of laminated steel AISI 1045 based on the experimental results of tensile tests of cylindrical specimens prepared according to standards ABNT NBR ISO 6892 and ASTM E 8 M. The advantage of applying the hybrid algorithm, compared to gradient-based methods, is the independence on initial estimates of material parameters. / Os avanços na pesquisa de métodos numéricos têm levado ao desenvolvimento de programas comerciais voltados para a simulação de processos de conformação mecânica, tais como forjamento, extrusão e embutimento dentre outros. A simulação numérica destes problemas requer o conhecimento das propriedades elásticas e plásticas dos materiais, tornando-se imperativo o desenvolvimento de estratégias capazes de determinar tais propriedades com precisão. O presente trabalho está inserido neste contexto, tendo por objetivo o estudo de metodologias conhecidas por identificação de parâmetros. Estas técnicas visam determinar parâmetros da relação constitutiva do material e combinam (i) o modelamento numérico do processo de deformação elasto-plástico e (ii) métodos de otimização. O primeiro utiliza o Método dos Elementos Finitos aliado a uma integração implícita da equação de equilíbrio a uma formulação Lagrangeana atualizada, elasto-plástica que contempla deformações finitas. Para a solução do problema de otimização são utilizados seis métodos distintos: métodos unidimensionais como o da Seção Áurea e Bisecção, estratégias multidimensionais baseadas em gradiente como o método da Máxima Descida e Quasi-Newton BFGS, um método Evolucionário, baseado nos algoritmos genéticos, e um Método Híbrido proposto neste trabalho. Este último é formado pelo Método Evolucionário e o método de Quasi-Newton BFGS. O procedimento de identificação de parâmetros foi aplicado inicialmente em um problema de referência para validar e estudar a característica dos métodos de otimização utilizados. Em seguida foi usado o Método Híbrido para identificar os parâmetros da curva de encruamento de um aço AISI 1045 laminado a partir dos resultados experimentais do ensaio de tração de corpos de prova cilíndricos preparados conforme as normas ABNT NBR ISSO 6892 e ASTM E 8 M. Foi possível demonstrar a vantagem da aplicação do Método Híbrido, em relação ao método baseado em gradiente, por não depender de uma estimativa inicial dos parâmetros materiais.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Cleudmar Amaral de Araújo / Banca: Vicente Lopes Júnior / Resumo: Nas técnicas de identificação de parâmetros, procuram-se determinar os valores desconhecidos pela manipulação dos sinais de entrada e saída do sistema. O tratamento e análise de sinais são relativamente recentes na engenharia, sendo que seu desenvolvimento deu-se juntamente com o dos sensores e condicionadores de sinais e mais recentemente, com os sistemas automáticos de aquisição de dados. Vários métodos têm sido propostos para resolver problemas de identificação, embora nenhum deles possa ser considerado como sendo universalmente adequado a todas as situações. Conhecendo-se os parâmetros dos sistemas, pode-se acompanhar através de monitoramento e técnicas de identificação, a evolução de possíveis falhas devido à variação destes parâmetros. Os processos de identificação, a partir de funções ortogonais, começam com a construção de uma matriz operacional, o que permite, através de integrações a conversão de um conjunto de equações diferenciais em um conjunto de equações algébricas e consequentemente a obtenção dos parâmetros desconhecidos. Neste trabalho, apresentam-se as técnicas de Identificação de Parâmetros utilizando as funções ortogonais de Fourier e polinomiais de Legendre e Chebyshev. / Abstract: In the parameter identification techniques, it is important to determine the unknown values in the manipulation of input and output signal of the system. The treatment and analysis of signals are relatively recent in the engineering, and its development took place with the sensors and the signal conditioning and recently, with the automatic data acquisition systems. Various methods have been proposed to solve identification problems, although any of them can be regarded universally adequate to all the situations. If the parameters of the systems, is known it can be accompanied, through monitoring and identification techniques, the evolution of possible fault due to the variation of the parameters. The identification process, from these types of functions, start with the construction of an operational matrix for the integration of orthogonal bases vectors, which allow the conversion of a differential equation set to a algebraic equation set, obtaining the unknown parameters. In this work, the parameter identification techniques used, the orthogonal functions of Fourier and polynomial of Legendre and Chebyshev, is presented. / Mestre