Este trabalho mostra o desenvolvimento de um software, rotulado aqui como SimuPi, para simular o modelamento matemático de elementos sensores piezoresistivos. O programa desenvolvido roda modelos de primeira e segunda ordem, clássicos da literatura, os quais são indispensáveis para o desenvolvimento de elementos sensores baseados no efeito piezoresistivo do silício. Foram analisadas as principais características de programas simuladores com objetivo de observar quais seriam relevantes para serem empregadas no desenvolvimento deste trabalho. Estudou-se a forma de elaboração do programa, escolhendo sua linguagem de programação e elaborando seus diagramas detalhados de requisitos e de funcionamentos. A plataforma de testes foi desenvolvida na linguagem de programação Java. O SimuPi mostrou-se condizente com a sua proposta, apresentando gráficos e resultados equivalentes aos obtidos em testes laboratoriais a partir da análise das propriedades do silício com base em modelos matemáticos. O software pode ser ampliado para projetos de elementos sensores usando outros tipos de materiais, além de melhorias gráficas e didáticas. / 81 f.

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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / INCT-EIE - Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia De Estruturas Inteligentes em Engenharia / Os sistemas de suspensão automotivos são projetados para permitir que o condutor tenha controle total do veículo. Esses sistemas devem garantir com eficiência o isolamento de vibração para o interior do automóvel, a aderência entre os pneus e o solo e a estabilidade do veículo durante a execução de manobras que envolvam mudança de direção. Neste trabalho foi conduzida uma investigação experimental sobre o comportamento dinâmico de um veículo de passeio da categoria hatch compacto premium. Manobras específicas de handling e ride foram consideradas nos testes físicos, a fim de avaliar a resposta do sistema de direção e o conforto dos passageiros. Handling se refere ao modo como o veículo se comporta durante a execução de manobras de mudança de direção e ride se relaciona à forma como a suspensão do veículo responde as irregularidades de pista durante o ato de dirigir. O trabalho de pesquisa contempla a definição de uma metodologia aplicada ao desenvolvimento de um modelo completo de veículo, através do método de multicorpos. Na modelagem matemática, a maioria dos componentes de suspensão foram considerados como rígidos, visto que as deformações elásticas são suficientemente pequenas, podendo assim serem consideradas desprezíveis. No entanto, é considerada a presença de alguns elementos flexíveis, em particular a barra estabilizadora e o eixo de torção, que se revelam essenciais na tentativa de construção de um modelo capaz de reproduzir adequadamente os efeitos não lineares. Nesse sentido, a barra estabilizadora foi representada como um corpo flexível, com o objetivo de incluir a sua não linearidade geométrica no modelo. Já a modelagem do eixo de torção foi baseada em uma técnica de cossimulação que utiliza um solver de multicorpos e um solver externo de elementos finitos para análise não linear. Simulações do comportamento dinâmico foram realizadas a fim de verificar a abrangência do modelo e correlação com os dados experimentais. O estudo de ride é apresentado enfatizando a métrica necessária para quantificar o conforto do veículo, de acordo com a norma ISO 2631-1. Os dados coletados experimentalmente foram processados no domínio da frequência e do tempo utilizando o software LMS Test.Lab. O processo de construção e simulação do modelo virtual foi realizado utilizando o software LMS Virtual.Lab Motion para a simulação de multicorpos e o LMS Samcef MECANO para a simulação de elementos finitos. / Automotive suspension systems are designed to allow the driver full control of the vehicle. These systems must efficiently ensure the vibration insulation of the car cabin, the tire grip on the road and the vehicle’s stability during turning maneuvers. In this study, an experimental investigation of the dynamic behavior of a subcompact premium car was conducted. Typical ride and handling maneuvers were considered in the physical tests in order to evaluate the steering response and passengers comfort. Vehicle handling refers to the way that the vehicle performs during turning maneuvers, and ride to how the vehicle suspension responds to the track irregularities during the act of driving. This work describes the methodology used for the development of a full vehicle model through the multibody method. In mathematical modeling, the majority of vehicle suspension components were included in the model as rigid bodies, due to the fact the elastic deformations are sufficiently small and hence negligible. However, there is the presence of some flexible elements, in particular the stabilizer bar and the twist beam, which are essential in the attempt to build a model capable of properly reproducing the nonlinear effects. Accordingly, the stabilizer bar was represented as a flexible body, in order to include geometric non-linearity into the model. The modeling of the twist beam was based on a co-simulation technique that uses a multibody solver and an external nonlinear solver for finite element method analysis. Dynamic behavior simulations were performed to verify the scope of the model and correlated with the experimental data. The ride comfort study was carried out emphasizing the required metric to quantify the vehicle comfort according to ISO 2631-1. The data collected were processed and analyzed in frequency and time domain using the LMS Test.Lab software. The building and simulation of the virtual model was performed using the LMS Virtual.Lab Motion software for the multibody simulation and LMS Samcef MECANO software for the finite element simulation. / Dissertação (Mestrado)

In the current agricultural context, agricultural machine unproductivity on fields and their impacts on soil along pathways are unavoidable. These machines have direct and indirect costs associated to their work in field, with non-productive time spent in manoeuvres when these are reaching field borders; likewise, there is a double application of product when machines are covering headlands while adding farm inputs. Both issues aggravate under irregular field geometry. Moreover, unproductive time can also appear in operations of loading/offloading the machine\'s reservoir with inputs/harvested-goods, which can increase with an improper use of the reservoir due to the inadequate machine path length. On the other hand, irregular steep surfaces present a problem for establishment of row crops and machine paths towards erosion. Though contouring (i.e., performing field operations perpendicular to slope direction) is a common practice to reduce runoff and increase water infiltration, still elevation contours are never parallel, while machine operations always are. Many of these issues were target for optimization in computer path planning for agricultural machines, where unproductivity was overall minimized and attempts of soil loss reduction by more proper path establishment also yielded results. This thesis gathered these issues in a combined path planning approach making possible to address soil loss and unproductive costs to their proper location. A number of methods was proposed and modified: creating and replicating steerable machine track; finding more optimal references for path coverage on irregular surfaces (curved or straight); quantifying the impacts of soil loss for a given path pattern; identifying spatially the water flow and concentration; defining geometrically different manoeuvre types and calculate its time, space and energy demands; obtain the overlapped area of input application; and quantifying the machine replenishment cost in relation to underuse of its reservoir for following tracks of inadequate length. An algorithm-application was achieved, which is capable of simulating a large number of path coverage scenarios and to display optimized ones based on a user defined criteria. Sugarcane crop, grown in Brazilian conditions, was the main object of study in this thesis because of its high in-field mechanization costs (along with unproductive operational costs), high susceptibility of soil erosion in its planting phase, and for occupying an area of predominant rolling surface. Case studies were subject to this algorithm that provided suitable outputs with minimized impacts. The outputs of the algorithm were comprehensive and showed potential for the methods to be used by agricultural decision makers. / No contexto agrícola atual, improdutividade de máquinas agrícolas em campo e seus impactos sobre o solo ao longo de suas vias são inevitáveis. Estas máquinas têm custos diretos e indiretos associados ao seu trabalho no campo, como tempo improdutivo gasto em manobras quando estes atingem os limites do talhão. Também nestes limites, há uma dupla aplicação de insumos agrícolas quando as máquinas estão cobrindo cabeceiras. Ambas as questões se agravam em talhões de geometria irregular. Além disso, o tempo improdutivo também pode aparecer em operações de carga / descarga do reservatório da máquina com insumos / bens colhidos, o que pode aumentar com um uso indevido do reservatório da máquina devido ao comprimento inadequado do percurso em campo. Ainda, superfícies irregulares e íngremes apresentam um problema para o estabelecimento de culturas em fileira e caminhos de máquinas contra declive. Apesar de operações em nível serem uma prática comum para reduzir o escoamento e aumentar a infiltração de água, curvas de nível nunca são paralelas, enquanto operações agrícolas são sempre paralelas. Muitas destas questões foram alvo de otimização computacional para planejamento de percursos de para máquinas agrícolas, onde a ineficiência foi, em geral, minimizada e tentativas de redução da perda de solo estabelecimento de percursos mais adequados também produziu resultados. Esta tese reuniu estas questões em uma abordagem de planejamento de percurso quantificando e direcionando custos de perda de solo e improdutividade de máquinas para sua devida localização. Métodos foram propostos e modificados, como: criar e replicar trajetos transitáveis de máquinas; encontrar referências ideais para a cobertura do trajeto em superfícies irregulares (curvas ou retas); quantificação dos impactos da perda de solo por um determinado padrão de percursos; identificar espacialmente o fluxo da água e sua concentração; definir geometricamente diferentes tipos de manobras e calcular o seu tempo, espaço e energia demandada; obter a área sobreposta de aplicação de insumos; e quantificar custo de reposição da máquina em relação à subutilização de seu reservatório para seguir trajetos de comprimento inadequado. Um aplicativo-algoritmo foi obtido capaz de simular um grande número de cenários de padrões de percurso, e exibindo aqueles que foram otimizados por critérios definidos pelo usuário. A cultura da cana, em condições brasileiras, foi a principal cultura de estudo nesta tese devido ao seu alto custo de mecanização (assim como custos operacionais improdutivos), alta suscetibilidade à erosão do solo na sua fase de plantio, e ocupando predominantemente áreas de superfície irregular. Os estudos de caso foram sujeitos ao algoritmo que obteve resultados coerentes e impactos minimizados. Os resultados do algoritmo mostram potencial para que os métodos avaliados sejam utilizados por tomadores de decisão da área agrícola.

In the current agricultural context, agricultural machine unproductivity on fields and their impacts on soil along pathways are unavoidable. These machines have direct and indirect costs associated to their work in field, with non-productive time spent in manoeuvres when these are reaching field borders; likewise, there is a double application of product when machines are covering headlands while adding farm inputs. Both issues aggravate under irregular field geometry. Moreover, unproductive time can also appear in operations of loading/offloading the machine\'s reservoir with inputs/harvested-goods, which can increase with an improper use of the reservoir due to the inadequate machine path length. On the other hand, irregular steep surfaces present a problem for establishment of row crops and machine paths towards erosion. Though contouring (i.e., performing field operations perpendicular to slope direction) is a common practice to reduce runoff and increase water infiltration, still elevation contours are never parallel, while machine operations always are. Many of these issues were target for optimization in computer path planning for agricultural machines, where unproductivity was overall minimized and attempts of soil loss reduction by more proper path establishment also yielded results. This thesis gathered these issues in a combined path planning approach making possible to address soil loss and unproductive costs to their proper location. A number of methods was proposed and modified: creating and replicating steerable machine track; finding more optimal references for path coverage on irregular surfaces (curved or straight); quantifying the impacts of soil loss for a given path pattern; identifying spatially the water flow and concentration; defining geometrically different manoeuvre types and calculate its time, space and energy demands; obtain the overlapped area of input application; and quantifying the machine replenishment cost in relation to underuse of its reservoir for following tracks of inadequate length. An algorithm-application was achieved, which is capable of simulating a large number of path coverage scenarios and to display optimized ones based on a user defined criteria. Sugarcane crop, grown in Brazilian conditions, was the main object of study in this thesis because of its high in-field mechanization costs (along with unproductive operational costs), high susceptibility of soil erosion in its planting phase, and for occupying an area of predominant rolling surface. Case studies were subject to this algorithm that provided suitable outputs with minimized impacts. The outputs of the algorithm were comprehensive and showed potential for the methods to be used by agricultural decision makers. / No contexto agrícola atual, improdutividade de máquinas agrícolas em campo e seus impactos sobre o solo ao longo de suas vias são inevitáveis. Estas máquinas têm custos diretos e indiretos associados ao seu trabalho no campo, como tempo improdutivo gasto em manobras quando estes atingem os limites do talhão. Também nestes limites, há uma dupla aplicação de insumos agrícolas quando as máquinas estão cobrindo cabeceiras. Ambas as questões se agravam em talhões de geometria irregular. Além disso, o tempo improdutivo também pode aparecer em operações de carga / descarga do reservatório da máquina com insumos / bens colhidos, o que pode aumentar com um uso indevido do reservatório da máquina devido ao comprimento inadequado do percurso em campo. Ainda, superfícies irregulares e íngremes apresentam um problema para o estabelecimento de culturas em fileira e caminhos de máquinas contra declive. Apesar de operações em nível serem uma prática comum para reduzir o escoamento e aumentar a infiltração de água, curvas de nível nunca são paralelas, enquanto operações agrícolas são sempre paralelas. Muitas destas questões foram alvo de otimização computacional para planejamento de percursos de para máquinas agrícolas, onde a ineficiência foi, em geral, minimizada e tentativas de redução da perda de solo estabelecimento de percursos mais adequados também produziu resultados. Esta tese reuniu estas questões em uma abordagem de planejamento de percurso quantificando e direcionando custos de perda de solo e improdutividade de máquinas para sua devida localização. Métodos foram propostos e modificados, como: criar e replicar trajetos transitáveis de máquinas; encontrar referências ideais para a cobertura do trajeto em superfícies irregulares (curvas ou retas); quantificação dos impactos da perda de solo por um determinado padrão de percursos; identificar espacialmente o fluxo da água e sua concentração; definir geometricamente diferentes tipos de manobras e calcular o seu tempo, espaço e energia demandada; obter a área sobreposta de aplicação de insumos; e quantificar custo de reposição da máquina em relação à subutilização de seu reservatório para seguir trajetos de comprimento inadequado. Um aplicativo-algoritmo foi obtido capaz de simular um grande número de cenários de padrões de percurso, e exibindo aqueles que foram otimizados por critérios definidos pelo usuário. A cultura da cana, em condições brasileiras, foi a principal cultura de estudo nesta tese devido ao seu alto custo de mecanização (assim como custos operacionais improdutivos), alta suscetibilidade à erosão do solo na sua fase de plantio, e ocupando predominantemente áreas de superfície irregular. Os estudos de caso foram sujeitos ao algoritmo que obteve resultados coerentes e impactos minimizados. Os resultados do algoritmo mostram potencial para que os métodos avaliados sejam utilizados por tomadores de decisão da área agrícola.