A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Vibrações mecânicas oferecem grande limitação para a produtividade, qualidade ou mesmo viabilidade das operações de usinagem, especialmente quando se trata das autoexcitadas (chatter). Neste trabalho, foram desenvolvidas estratégias que tem como objetivo diminuir a intensidade de vibrações em processos de torneamento por meio do acoplamento de material piezelétrico ao suporte de ferramenta em conjunto com uso de shunts resistivo, indutivo e resistivo-indutivo em série ou em paralelo, criando assim estruturas eletromecânicas passivamente amortecidas. Para tanto, foram construídos modelos eletromecânicos de parâmetros distribuídos para mostrar a capacidade que tais estruturas eletromecânicas possuem em oferecer um maior amortecimento quando comparadas com estruturas mecânicas convencionais. Com os modelos construídos, foi possível verificar a influência causada pela espessura da camada de material piezelétrico bem como a influência dos shunts no comportamento da estrutura, sendo constatado que camadas mais espessas aumentam a capacidade de amortecimento da estrutura e que os shunts resistivo-indutivo, tanto em série quanto em paralelo, funcionam como um amortecedor dinâmico de vibrações amortecido e oferecem o melhor desempenho. A seguir, construiu-se o diagrama de lóbulos de estabilidade para comparar as estruturas com e sem shunts e observou-se que as estruturas com shunts resistivo-indutivo possuem um melhor desempenho. Também foram executados testes de impacto (tap tests) para a verificação experimental do comportamento da estrutura quando conectadas aos shunts e os resultados mostraram que há um maior amortecimento. Considerando os resultados obtidos, acredita-se que seja possível melhorar o desempenho de processos de torneamento usando material piezelétrico. / Mechanical vibrations offer great limitation for the productivity, quality or even feasibility of the machining operations when chatter is present. In this work it was developed strategies aiming to diminish the intensity of the vibration in turning processes. By coupling a piezoelectric material with a turning tool and by using different associations of resistive and inductive shunt (series or parallel) it was created electromechanical structures passively damped. Electromechanical models of distributed parameters were developed in order to show the capacity that these structures has to offer a greater dumping when compared with conventional mechanical structures. By using these constructed models it was possible to verify the influence of the thickness of the piezoelectric material as well as the influence of shunts in the behavior of structure. It was observed that thicker layers increase the damping capacity of the structure that resistive-inductive shunt (series or parallel) works as a damped dynamic vibration absorber which offer better performance. Latter was developed a stability lobes diagram in order to compare the structures with and without shunts and it was observed that structures connected to resistiveinductive shunt has a better performance. Tap tests were performed for the purpose of study the experimental behavior of the structure connected to shunt and results showed that there is a better damping in this situation. Considering the results obtained, is fair to believe that is possible to improve turning process by using piezoelectric materials.

Vibrações mecânicas oferecem grande limitação para a produtividade, qualidade ou mesmo viabilidade das operações de usinagem, especialmente quando se trata das autoexcitadas (chatter). Neste trabalho, foram desenvolvidas estratégias que tem como objetivo diminuir a intensidade de vibrações em processos de torneamento por meio do acoplamento de material piezelétrico ao suporte de ferramenta em conjunto com uso de shunts resistivo, indutivo e resistivo-indutivo em série ou em paralelo, criando assim estruturas eletromecânicas passivamente amortecidas. Para tanto, foram construídos modelos eletromecânicos de parâmetros distribuídos para mostrar a capacidade que tais estruturas eletromecânicas possuem em oferecer um maior amortecimento quando comparadas com estruturas mecânicas convencionais. Com os modelos construídos, foi possível verificar a influência causada pela espessura da camada de material piezelétrico bem como a influência dos shunts no comportamento da estrutura, sendo constatado que camadas mais espessas aumentam a capacidade de amortecimento da estrutura e que os shunts resistivo-indutivo, tanto em série quanto em paralelo, funcionam como um amortecedor dinâmico de vibrações amortecido e oferecem o melhor desempenho. A seguir, construiu-se o diagrama de lóbulos de estabilidade para comparar as estruturas com e sem shunts e observou-se que as estruturas com shunts resistivo-indutivo possuem um melhor desempenho. Também foram executados testes de impacto (tap tests) para a verificação experimental do comportamento da estrutura quando conectadas aos shunts e os resultados mostraram que há um maior amortecimento. Considerando os resultados obtidos, acredita-se que seja possível melhorar o desempenho de processos de torneamento usando material piezelétrico. / Mechanical vibrations offer great limitation for the productivity, quality or even feasibility of the machining operations when chatter is present. In this work it was developed strategies aiming to diminish the intensity of the vibration in turning processes. By coupling a piezoelectric material with a turning tool and by using different associations of resistive and inductive shunt (series or parallel) it was created electromechanical structures passively damped. Electromechanical models of distributed parameters were developed in order to show the capacity that these structures has to offer a greater dumping when compared with conventional mechanical structures. By using these constructed models it was possible to verify the influence of the thickness of the piezoelectric material as well as the influence of shunts in the behavior of structure. It was observed that thicker layers increase the damping capacity of the structure that resistive-inductive shunt (series or parallel) works as a damped dynamic vibration absorber which offer better performance. Latter was developed a stability lobes diagram in order to compare the structures with and without shunts and it was observed that structures connected to resistiveinductive shunt has a better performance. Tap tests were performed for the purpose of study the experimental behavior of the structure connected to shunt and results showed that there is a better damping in this situation. Considering the results obtained, is fair to believe that is possible to improve turning process by using piezoelectric materials.

Submitted by FABRICIO MARQUI SANCHES null (fabriciosmf@yahoo.com.br) on 2016-01-05T12:05:05Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO-Fabricio_Marqui_Sanches.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-01-06T17:34:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-06T17:34:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sanches_fm_me_ilha.pdf: 2162339 bytes, checksum: 257059fa1be635fc6245b0168ddbebc4 (MD5) Previous issue date: 2015-12-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho é investigada a viabilidade energética do emprego de buzzers piezelétricos, circuito retificador de onda completa e conversor DC-DC elevador em um sistemas de power harvesting submetido a esforços mecânicos causados pelo tráfego de veículos e/ou caminhar de pedestres, demonstrando a possibilidade de reutilização dessa energia no carregamento de baterias para alimentação de circuitos autônomos de monitoramento, indicação, iluminação, etc., em locais remotos, eliminando ou estendendo os intervalos necessário entre as recargas desses dispositivos. O gerador piezelétrico é analisado mediante a excitação realizada por um cilindro pneumático simulador de impactos controlado eletronicamente com frequência de 0,5 Hz e 1 Hz, contendo diferentes quantidades de PZTs (2, 4 e 8) e configuração de ligação (série ou paralelo). Os resultados extraídos são referentes à tensão elétrica, corrente, potência e energia armazenada em função do tempo, sendo ainda feitas relações dessas grandezas com diferentes números de PZTs, área que ocupam, força e pressão aplicada sobre os mesmos. Ao final pode-se concluir a viabilidade da utilização de dispositivos simples em sistemas de power harvesting para geração de energia através de excitações na forma pulsada e em baixas frequências, sendo os maiores valores na saída do circuito em termos de potência e corrente para tensão de 5 volts, 108 µW e 21,5 µA (0,53 Kg e 0,83 N/cm2), bem como 118,8 µW e 23,6 µA para (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtidos com 8 PZTs, conectados em paralelo e excitados a 1 Hz. / This paper investigated the energy viability of the use of piezoelectric buzzers, rectifier circuit full-wave and DC-DC-converter in a power harvesting systems subjected to mechanical stress caused by the traffic of vehicles and / or walk for pedestrians, demonstrating the possibility of re-use of energy in charging batteries to power autonomous monitoring circuits, display, illumination, etc., in remote locations, eliminating or extending the intervals needed between charges these devices. The piezoelectric generator is analyzed through excitation carried out by a pneumatic cylinder simulator electronically controlled impacts with a frequency of 0.5 Hz and 1 Hz, containing different amounts of PZTs (2, 4, 8) and connection configuration (parallel or serial) . The extracted results are related to the voltage, current, power and energy stored in function of time, still being made relations of these quantities for the number of PZTs, area they occupy, force and pressure applied on them. At the end we can conclude the feasibility of using simple devices in power harvesting systems to generate energy through excitations in pulsed manner and at low frequencies, with higher values in the circuit output in terms of power and current to voltage 5 volts, 108 µW and 21,5 µA (0,53 Kg and 0,83 N/cm2), just like 118,8 µW and 23,6 µA to (2,13 Kg e 3,33 N/cm2), obtained with 8 PZTs, connected in parallel and excited to 1 Hz.

Submitted by DANILO MARCUS SANTOS RIBEIRO null (danpayne16@msn.com) on 2017-07-11T18:22:50Z No. of bitstreams: 1 dissertação_danilo_marcus_v9_final.pdf: 3798083 bytes, checksum: 8969b64b8101340dd46391b7669f950a (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO (luizamenezes@reitoria.unesp.br) on 2017-07-14T16:55:13Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ribeiro_dms_me_bauru.pdf: 3798083 bytes, checksum: 8969b64b8101340dd46391b7669f950a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-14T16:55:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ribeiro_dms_me_bauru.pdf: 3798083 bytes, checksum: 8969b64b8101340dd46391b7669f950a (MD5) Previous issue date: 2017-05-25 / Pesquisadores tem avaliado um grande número de técnicas de monitoramento para controlar a condição superficial de peças. O diafragma piezelétrico de titanato zirconato de chumbo (PZT) é utilizado em muitos campos de pesquisa, mas estes sensores não são comuns no mo-nitoramento dos processos de usinagem. Este trabalho propõe um método para monitorar a condição superficial da peça (usinagem normal e queima) usando um diafragma piezelétrico e técnicas de extração de características. Uma comparação é feita com o sensor convencional de emissão acústica (EA), que é um sensor amplamente utilizado no monitoramento dos proces-sos de usinagem. Os ensaios de usinagem foram realizados em uma máquina de retificação de superfícies utilizando aço ABNT 1045 e rebolo CBN, onde os sinais foram coletados a 2 MHz. As peças foram cuidadosamente analisadas por meio de inspeção visual, rugosidade superficial, medidas de dureza e análises metalográficas. Estudo do conteúdo de freqüência de ambos os sinais foi realizado com o objetivo de selecionar bandas estreitamente relacionadas com a condição da superfície da peça. Filtros digitais foram aplicados aos sinais puros e as características foram extraídas e analisadas. Os valores RMS (Root Mean Square) filtrados nas faixas selecionadas para ambos os sensores apresentaram um ajuste melhor à regressão linear, o que é altamente desejável para estabelecer um limiar para detecção da queima e im-plementação em um sistema de monitoramento. Além disso, os resultados do índice RMSD (Root Mean Square Deviation) mostraram um excelente comportamento para o monitoramen-to da queima decorrente do processo de retificação para ambos os sensores. O método foi va-lidado usando um rebolo diferente, o que mostra claramente sua eficácia e demonstra o uso potencial do diafragma piezelétrico de baixo custo para o monitoramento da queima no pro-cesso de retificação. / Researchers have evaluated a great number of monitoring techniques in order to control the surface condition of ground parts. Piezoelectric diaphragm of lead zirconate titanate (PZT) are used in many fields, but these sensors are not common in the monitoring of machining pro-cesses. This paper proposes a method for monitoring the workpiece surface condition (normal grinding and burn) by using a piezoelectric PZT diaphragm transducer and feature extraction techniques. A comparison is made with conventional acoustic emission sensor, which is a traditional sensor in the monitoring of machining processes. Grinding tests were performed in a surface-grinding machine with SAE 1045 steel and CBN grinding wheel, where the signals were collected at 2 MHz. The workpieces were thoroughly analysed through visual inspec-tion, surface roughness and hardness measurements, and metallographic analyses. Study on the frequency content of both signals was carried out in order to select bands closely related to the workpiece surface condition. Digital filters were applied to the raw signals and features were extracted and analyzed. The RMS values filtered in the selected bands for both sensors presented a better fitting to the linear regression, which is highly desirable for setting a threshold to detect burn and implementing into a monitoring system. Also, the RMSD index results show an excellent behavior for grinding burn monitoring for both sensors. The method was validated by using a different grinding wheel, which clearly shows its effectiveness and demonstrates the potential use of the low-cost piezoelectric diaphragm for grinding burn mon-itoring.

A conversão de energia vibracional do ambiente em energia elétrica através de dispositivos piezelétricos tem recebido crescente atenção na última década. Com intuito de melhorar o desempenho destes tipos de dispositivo, são discutidos os benefícios da introdução de não linearidades nestes sistemas. O dispositivo utilizado é uma viga cantilever tipo bimorph, parcialmente recoberta por material piezelétrico, com massas magnéticas concentradas na extremidade livre da viga que geram forças magnéticas não lineares. Nesse dispositivo, além da não linearidade proveniente dos magnetos, considera-se também a não linearidade inerente ao material piezelétrico. A solução das equações eletromecânicas acopladas, que descreve o movimento do conversor piezelétrico de energia, é encontrada numericamente resolvendo-se um conjunto de equações diferenciais ordinárias com condições iniciais dadas. A resposta em frequência do sistema é aproximada pelo método perturbativo das múltiplas escalas. A potência elétrica gerada é analisada variando-se alguns parâmetros, como intensidade da força de excitação, distância entre os magnetos da extremidade livre da viga e resistor de carga. A estabilidade do sistema também é investigada através de uma análise dinâmica, de onde se conclui a influência da distância entre os magnetos juntamente com a intensidade da força de excitação nesta estabilidade. Estes parâmetros também influenciam na faixa de frequência de operação do dispositivo. É observado que os efeitos não lineares presentes no dispositivo fazem com que este opere em uma ampla faixa de frequência. É realizado o estudo de incertezas em alguns parâmetros do conversor de energia piezelétrico, através de simulações de Monte Carlo, concluindo a influência destes na frequência natural e na potência elétrica gerada pelo dispositivo. Através de ensaios experimentais confirmam-se os benefícios da introdução de não linearidades nos geradores de energia piezelétricos. / Piezoelectric energy harvesting has received great attention over the last years. The main goal of this work is to discuss the potential advantages of introducing nonlinearities in the dynamics of a beam type piezoelectric vibration energy harvester. The device is essentially a cantilever beam partially covered by piezoelectric material with a magnet tip mass. Also, we consider the nonlinear constitutive piezoelectric equations. The electromechanically coupled equations are solved numerically, through the initial value problems for ordinary differential equations. The frequency response of the system is approximated using the method of multiple scales. The electrical power output is calculated by varying the amplitude of the base acceleration, the distance between the magnets and the load resistor. The stability of the system is also investigated. Stochastic variations are introduced in some key parameters and the propagation of these uncertainties is investigated through Monte Carlos simulations. From the numerical results it is found that the influence of the parameters investigated in the frequency range of operation of the device and the nonlinear effects present on the device energy harvester extend the useful frequency range of these. Moreover uncertainty parameters affect the natural frequency and the power output harvester. Through experimental tests it has been confirmed the benefits of introducing nonlinearities in piezoelectric energy harvesters.

Trata do desenvolvimento de um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) para uma Mesa Angular Rotativa (MAR) destinada à usinagem de ultraprecisão. O sistema de controle tem como objetivo efetuar posicionamento angular de alta resolução e repetibilidade antes e durante a usinagem de ultraprecisão, propiciando fabricar peças complexas através de torneamento. A MAR faz uso de elementos como mancais de flexão, atuadores piezelétricos, juntamente com o sistema de controle PID. A estratégia de controle é baseada na aquisição de dados na plataforma de desenvolvimento LabVIEW®, para gerar curvas tensão de saída do tesatronic versus deslocamento da MAR e no processamento dos sinais adquiridos ao longo do microposicionamento da MAR em tempo real para realimentação de posição. Constatou-se que o sistema suporta deslocamentos da MAR correspondendo a expansão do atuador piezelétrico de até 24 µm com freqüência de acionamento de até 3 Hz. O uso de filtro Chebyshev provocou atraso na resposta e forte instabilidade no sistema. Conclui-se que para a melhora do desempenho do sistema em termos de freqüência pode ser conseguida através do uso de filtro do tipo FIR (Finite Impulse Response). / A Micro Tilt Stage (MTS) was developed in the Precision Engineering Laboratory (University of São Paulo) to be used in commercial diamond turning machines. The MTS has the aim of positioning workpieces angularly with high resolution and repeatability before and during ultraprecision machining. The use of flexural bearings and piezoelectric actuators together with a PID control system provided improved dynamic performance. The control strategy is based on data acquisition using LabView to create standard curves and perform the correction of positioning errors. Experimental tests are performed with displacement of the (MTS), up to 24 µm, with frequency, up to 3 Hz. The use of a Chebyshev filter caused a delay and a strong instability in the system. In conclusion, in order to improve the performance of the system in terms of frequency, the use of a FIR filter (Finite Impulse Response) may be indicated.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

O presente trabalho visa empregar uma metodologia numérica para determinar as propriedades macro mecânica de compósitos ativos (AFC - Active Fiber Composite ou MFC - Macro Fiber Composite), combinando o conceito de Volume Elementar Representativo (VER) com o Método dos Elementos Finitos (MEF). Inicialmente, apresenta-se a fundamentação teórica associada à abordagem numérica empregada. Posteriormente, os modelos numéricos desenvolvidos são aplicados na determinação dos coeficientes efetivos de materiais compósitos inteligentes transversalmente isotrópicos com fibras piezelétricas de seção com forma circular e quadrada, respectivamente. Finalmente, os resultados numéricos obtidos pela metodologia proposta são, então, comparados com resultados da literatura. Constata-se que os resultados obtidos são muito semelhantes aos resultados relatados pela literatura para arranjo quadrático e hexagonal com fibra de geometria circular, sendo que neste caso, compararam-se os resultados numéricos com analíticos obtidos através do Método de Homogeneização Assintótica. Em seguida, a metodologia é aplicada para determinação dos coeficientes efetivos para arranjo quadrático e hexagonal com fibra de geometria quadrada. Empregando diferentes frações volumétricas de fibras, os resultados via MEF foram comparados aos resultados analíticos obtidos através do Método dos Campos Uniformes (Uniform Field Method). Após a avaliação das limitações e potencialidades da metodologia, de forma direta, através de resultados analíticos, realizou-se a avaliação da mesma de forma indireta. Para tal, foram realizadas análises dinâmicas visando comparar as Funções de Resposta em Frequência (FRF) experimentais com as obtidas computacionalmente. Dessa forma, utilizou-se uma viga de alumínio estrutural engastada-livre, onde foram colados duas pastilhas piezelétricas, sendo uma para realizar a excitação da estrutura e, a outra para fazer a aquisição dos dados. Os modelos computacionais via MEF empregaram para o domínio das pastilhas, as propriedades efetivas determinadas através da metodologia desenvolvida. Os resultados obtidos demonstraram mais uma vez as potencialidades da metodologia proposta. Assim, conclui-se que a metodologia numérica não é somente uma boa alternativa para o cálculo de coeficientes efetivos de compósitos inteligentes, mas também uma ferramenta para o projeto de estruturas inteligentes monitoradas por materiais piezelétricos. / This work presents the development a numerical methodology to determine the mechanical properties of active macro composites (AFC - Active Fiber Composite, or MFC - Macro Fiber Composite), combining the concept of Representative Elementary Volume (REV) with the Finite Element Method (FEM). In the first instance, the theoretical framework associated with the numerical approach employed is presented. Later, numerical models based on unit cell are applied to predict the effective material coefficients of the transversely isotropic piezoelectric composite with circular cross section fibers. Finally, numerical results obtained by the proposed methodology are compared to other methods reported in the literature. It appears that the results are very similar to the literature results for square and hexagonal arrangement of fibers with circular geometry, in which case, it was compared numerical with analytical results calculated by Asymptotic Homogenization Method (AHM). After that, the methodology is applied to determine the effective coefficients for square and hexagonal array with square fiber geometry. Employing different fiber volume fractions, it follows that the results obtained by the proposed methodology were compared to analytical results calculated by the Uniform Field Method (UFM). After assessing the potential and limitations of the methodology, either directly, through analytical results, the evaluation took place in the indirect approach. Then, dynamic analyses were performed in order to compare the Frequency Response Functions (FRFs) determined by experimental tests with computational results. Thus, it was used a cantilever beam aluminum structure, which were bonded two piezoelectric patches, one to carry the excitement of the structure and the second to perform the data acquisition. The effective properties determined by the proposed methodology were applied for the dominium established by the piezoelectric patches. The results showed, again, the potential of the proposed methodology. Therefore, the numerical methodology is not only a good alternative for the calculation of effective coefficients of smart composite, but also a tool for the design of smart structures monitored by piezoelectric materials.