Le thème central de cette thèse est la conception d’actionneurs doux à partir de matériaux intelligents et d’une prothèse de main robotique souple. Notre approche prends en compte les différents points qui peuvent influer sur le développement d’une stratégie d’actionnement ou d’un muscle artificiel : i) Les mécanismes et la fonctionnalité de la main humaine afin d’identifier les exigences fonctionnelles pour une prothèse de main robotique en matière de préhension. ii) L’analyse et l’amélioration des mécanismes de la main robotique pour intégrer un comportement souple dans la prothèse. iii) L’évaluation expérimentale de la prothèse de main robotique afin d’identifier les spécifications du système d’actionnement nécessaire au fonctionnement cinématique et dynamique du robot. iv) Le développement et la modélisation d’une stratégie d’actionnement utilisant des matériaux intelligents.Ces points sont abordés successivement dans les 4 chapitres de cette thèse1. Analyse du mouvement de la main humaine pour l’identification des exigences technologiques pour la prothèse de main robotique.2. Conception et modélisation de la prothèse de main robotique à comportement souple.3. Evaluation mécatronique de la prothèse de main.4. Conception d’un muscle artificiel basé sur des matériaux intelligents. / In the field of robotic hand prosthesis, the use of smart and soft materials is helpful in improving flexibility, usability, and adaptability of the robots, which simplify daily living activities of prosthesis users. However, regarding the smart materials for artificial muscles, technologies are considered to be far from implementation in anthropomorphic robotic hands. Therefore, the target of this thesis dissertation is to reduce the gap between smart material technologies and robotic hand prosthesis. Five central axes address the problem: i)identification of useful grasping gestures and reformulation of the robotic hand mechanism, ii) analysis of human muscle behavior to mimic human grasping capabilities, iii) modeling robot using the hybrid model DHKK-SRQ for the kinematics and the virtual works principle for dynamics, iv) definition of actuation requirements considering the synergy between prehension conditions and robot mechanism, and v) development of a smart material based actuation system.This topics are addressed in four chapters:1. Human hand movement analysis toward the hand prosthesis requirements2. Design and modeling of the soft robotic hand ProMain-I3. Mechatronic assessment of Prosthetic hand4. Development of an artificial muscle based on smart materials

Amorphous and polycrystalline microwires cast from ferromagnetic Fe-based or Co-based alloys in glass envelope demonstrate unique magneto-anisotropic and high frequency impedance properties that make them very attractive for sensor applications. Magnetic anisotropies of different types result from the inverse magnetostriction effect (positive or negative) at the interface between the glass shell and the metal core, in the presence of the residual stresses induced during the Taylor-Ulitovski casting method. Therefore, the glass shell is not just isolation, but also is one of most important factors that defines the physical properties of microwires. In particular, magnetic anisotropy allows high frequency impedance to be tuned by external stimuli such as magnetic field, tensile stress, or temperature. In the project, these effects are explored for the creation of low density microwire inclusions that might introduce tuneable microwave properties to polymer composite materials. The project aims to study high frequency impedance effects in ferromagnetic wires in the presence of tensile stress, temperature, and magnetic field. The integration of microwave equipment with mechanical and thermal measurement facilities is a very challenging task. In the project, we develop new experimental techniques allowing comprehensive study of composite materials with electromagnetic functionalities. The wire surface impedance recovered from such measurements can then be used to model the microwave response from wire-filled composites in free space. The obtained results significantly expand the horizon of potential applications of ferromagnetic wires for structural health monitoring.

Sabe-se que materiais compostos laminados são, hoje em dia, geralmente usados nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, naval e outras, principalmente por causa de suas atrativas propriedades se comparadas aos materiais isotrópicos, como alta rigidez/peso, alta resistência, alto amortecimento e boas propriedades relacionadas ao isolamento térmico e acústico, entre outras. Porém, o comportamento de estruturas feitas de materiais compostos pode ser aperfeiçoado através da utilização de materiais inteligentes. Dentre os diferentes tipos comercialmente disponíveis de materiais inteligentes, os materiais piezelétricos são amplamente usados como sensores e atuadores para o monitoramento e controle de estruturas. O efeito piezelétrico direto define que uma deformação mecânica aplicada ao material é convertida em uma carga elétrica. Por outro lado, o efeito piezelétrico inverso define que um potencial elétrico aplicado ao material é convertido em deformação mecânica. Estes efeitos governam a interação eletromecânica nos materiais piezelétricos. O Método dos Elementos Finitos, uma ferramenta amplamente reconhecida e poderosa para a análise de estruturas complexas, é capaz de realizar a integração dos componentes inteligentes e das partes estruturais clássicas. Sendo assim, o comportamento estático e dinâmico, linear e geometricamente não-linear, de estruturas compostas laminadas delgadas com lâminas piezelétricas incorporadas é analisado neste trabalho usando o Método dos Elementos Finitos (MEF). Elementos triangulares, chamados GPL-T9, com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamento e três de rotação) e um grau de liberdade por camada piezelétrica (potencial elétrico) são usados. Para a análise estática não-linear as equações de equilíbrio são solucionadas usando o Método do Controle de Deslocamentos Generalizados (MCDG) enquanto a solução dinâmica é obtida usando o Método de Newmark com Formulação Lagrangeana Atualizada (FLA). O sistema de equações é resolvido usando o Método dos Gradientes Conjugados (MGC) e nos casos não-lineares um esquema iterativo-incremental é empregado. Diversos exemplos numéricos são apresentados e comparados com resultados obtidos por outros autores com diferentes tipos de elementos e diferentes formulações. A concordância entre estes resultados demonstra a validade e a eficácia dos modelos desenvolvidos. / It is well known that laminate composite materials are nowadays commonly used in the aeronautical, aerospace, naval and other industries mainly because their attractive properties as compared to isotropic materials, such as higher stiffness/weight, higher strength, higher damping and good properties related to thermal or acoustic isolation, among others. However, the behavior of structures made of composite materials can be improved using smart materials. Among several kinds of commercially available smart materials, the piezoelectric materials are widely used as sensors and actuators for the monitoring and control of structures. The direct piezoelectric effect states that a mechanical strain applied to the material is converted to an electric charge. On the other hand, the converse piezoelectric effect states that an electric potential applied to the material is converted to mechanical strain. These effects govern the electromechanical interaction in piezoelectric materials. The finite element method, a widely accepted and powerful tool for analyzing complex structures, is capable of dealing with the integration of smart components and classic structural parts. So, linear and geometrically nonlinear static and dynamic behavior of thin laminate composite structures embedded with piezoelectric layers are analyzed in this work using the Finite Element Method (FEM). Triangular elements, called GPL-T9, with three nodes and six degrees of freedom per node (three displacement and three rotation components) and one degree of freedom per piezoelectric layer (electrical potential) are used. For static analysis the nonlinear equilibrium equations are solved using the Generalized Displacement Control Method (GDCM) while the dynamic solution is performed using the classical Newmark Method with an Updated Lagrangean Formulation (ULF). The system of equations is solved using the Gradient Cojugate Method (GCM) and in nonlinear cases an iterative-incremental scheme is employed. Several numerical examples are presented and compared with results obtained by other authors with different kind of elements and different schemes. The agreement among these results demonstrates the validity and effectiveness of the developed models.

Sabe-se que materiais compostos laminados são, hoje em dia, geralmente usados nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, naval e outras, principalmente por causa de suas atrativas propriedades se comparadas aos materiais isotrópicos, como alta rigidez/peso, alta resistência, alto amortecimento e boas propriedades relacionadas ao isolamento térmico e acústico, entre outras. Porém, o comportamento de estruturas feitas de materiais compostos pode ser aperfeiçoado através da utilização de materiais inteligentes. Dentre os diferentes tipos comercialmente disponíveis de materiais inteligentes, os materiais piezelétricos são amplamente usados como sensores e atuadores para o monitoramento e controle de estruturas. O efeito piezelétrico direto define que uma deformação mecânica aplicada ao material é convertida em uma carga elétrica. Por outro lado, o efeito piezelétrico inverso define que um potencial elétrico aplicado ao material é convertido em deformação mecânica. Estes efeitos governam a interação eletromecânica nos materiais piezelétricos. O Método dos Elementos Finitos, uma ferramenta amplamente reconhecida e poderosa para a análise de estruturas complexas, é capaz de realizar a integração dos componentes inteligentes e das partes estruturais clássicas. Sendo assim, o comportamento estático e dinâmico, linear e geometricamente não-linear, de estruturas compostas laminadas delgadas com lâminas piezelétricas incorporadas é analisado neste trabalho usando o Método dos Elementos Finitos (MEF). Elementos triangulares, chamados GPL-T9, com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamento e três de rotação) e um grau de liberdade por camada piezelétrica (potencial elétrico) são usados. Para a análise estática não-linear as equações de equilíbrio são solucionadas usando o Método do Controle de Deslocamentos Generalizados (MCDG) enquanto a solução dinâmica é obtida usando o Método de Newmark com Formulação Lagrangeana Atualizada (FLA). O sistema de equações é resolvido usando o Método dos Gradientes Conjugados (MGC) e nos casos não-lineares um esquema iterativo-incremental é empregado. Diversos exemplos numéricos são apresentados e comparados com resultados obtidos por outros autores com diferentes tipos de elementos e diferentes formulações. A concordância entre estes resultados demonstra a validade e a eficácia dos modelos desenvolvidos. / It is well known that laminate composite materials are nowadays commonly used in the aeronautical, aerospace, naval and other industries mainly because their attractive properties as compared to isotropic materials, such as higher stiffness/weight, higher strength, higher damping and good properties related to thermal or acoustic isolation, among others. However, the behavior of structures made of composite materials can be improved using smart materials. Among several kinds of commercially available smart materials, the piezoelectric materials are widely used as sensors and actuators for the monitoring and control of structures. The direct piezoelectric effect states that a mechanical strain applied to the material is converted to an electric charge. On the other hand, the converse piezoelectric effect states that an electric potential applied to the material is converted to mechanical strain. These effects govern the electromechanical interaction in piezoelectric materials. The finite element method, a widely accepted and powerful tool for analyzing complex structures, is capable of dealing with the integration of smart components and classic structural parts. So, linear and geometrically nonlinear static and dynamic behavior of thin laminate composite structures embedded with piezoelectric layers are analyzed in this work using the Finite Element Method (FEM). Triangular elements, called GPL-T9, with three nodes and six degrees of freedom per node (three displacement and three rotation components) and one degree of freedom per piezoelectric layer (electrical potential) are used. For static analysis the nonlinear equilibrium equations are solved using the Generalized Displacement Control Method (GDCM) while the dynamic solution is performed using the classical Newmark Method with an Updated Lagrangean Formulation (ULF). The system of equations is solved using the Gradient Cojugate Method (GCM) and in nonlinear cases an iterative-incremental scheme is employed. Several numerical examples are presented and compared with results obtained by other authors with different kind of elements and different schemes. The agreement among these results demonstrates the validity and effectiveness of the developed models.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-07-26Bitstream added on 2014-06-13T20:16:17Z : No. of bitstreams: 1 paschoal_ef_me_ilha.pdf: 1666225 bytes, checksum: c8e0ac9ef47b75399e16b35077ba6dac (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / O presente trabalho tem como objetivo a aplicação da tecnologia de controle semi-ativo em suspensões veiculares, empregando amortecedores magnetoreológicos e controladores nebulosos. O princípio de funcionamento dos amortecedores magnetoreológicos é evidenciado a partir de um procedimento de identificação numérica onde os resultados obtidos pela técnica de modelagem apresentada são confrontados com dados experimentais coletados. O grande avanço experimentado pelos controladores nebulosos nos últimos anos tem aberto novas possibilidades de aplicação prática de tais controladores. O comportamento não linear dos amortecedores magnetoreológicos associado às variações paramétricas e não- linearidades presentes em modelos de suspensões veiculares são características que corroboram para o uso dos controladores nebulosos. A formulação básica para a análise e projeto destes controladores é discutida e analisada através de um conjunto de simulações numéricas efetuado para a avaliação da robustez, estabilidade e desempenho dos mesmos. A bancada experimental, constituída de um sistema de dois graus de liberdade contendo um amortecedor magnetoreológico, é apresentada e tem seus parâmetros principais identificados. Tal bancada é usada para comparar os resultados numéricos simulados com aqueles obtidos experimentalmente. O trabalho termina comentando as potencialidades da metodologia apresentada, discutindo as facilidades e dificuldades encontradas na sua implementação e aponta propostas para a sua continuidade / This work focus on the investigation of semi-active vibration control technology in vehicle suspensions by using magneto-rheological dampers and fuzzy controllers. The operation principle of magneto-rheological dampers is verified by a numerical identification procedure and the results obtained by the presented modeling techniques are compared with the experimental collected data. The great progress tried by the fuzzy controllers in the last years has been opening new possibilities of practical application for these controllers. The non- linear behavior of the magnetorheological dampers associated to the parametric variations and non-linearities on vehicle suspension models corroborate to the use of the fuzzy controllers. The fundamental formulation of this controller is discussed and its robustness, stability and performance are shown through numeric simulations. An experimental apparatus representing a two degree-of-freedom system containing a magnetorheological damper is used to identify the main parameters and to compare the previous simulation results. This work is concluded presenting the potentialities of the design methodology proposed and future developments to be implemented

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 / Desde seu surgimento no início da década de setenta, os sistemas semiativos vêm ganhando cada vez mais espaço nos projetos de engenharia. No caso específico dos sistemas semiativos que utilizam fluido magneto reológico, os primeiros produtos com esse material inteligente só foram comercializados com sucesso pela primeira vez em 1998 pela LORD® Corporation, que é fornecedora do atuador utilizado neste trabalho. A partir daí as aplicações não pararam de crescer. Desde sistemas de suspensão inteligentes de pontes e edifícios, visando a segurança de pessoas e a saúde estrutural das construções, até assentos de veículos, visando o conforto e segurança do passageiro. O objetivo desse trabalho foi o de apresentar uma metodologia de validação de modelos matemáticos de amortecedores com fluido magneto reológico, tanto paramétricos quanto não paramétricos. Para validação, utilizou-se da técnica de problemas inversos para otimizar o modelo estudado em relação aos dados experimentais, através da minimização do erro relativo, usando a norma da diferença entre as forças obtidas do ensaio experimental realizado e do modelo numérico implementado em ambiente MATLAB®, dividida pela norma da força experimental. As vantagens dos modelos matemáticos paramétricos é que permitem rápida convergência dos resultados; já a desvantagem é que, por seguir uma lei de formação bem definida matematicamente, as formas das curvas são “rígidas”, ou seja, sem liberdade para mudar sua configuração. Normalmente, essas curvas seguem uma tendência bem característica. O modelo não paramétrico aplicado neste trabalho é baseado na lógica fuzzy (lógica nebulosa), conferindo maior “liberdade” para modelar adequadamente todos os pontos da curva experimental. Contudo, a dificuldade em encontrar os parâmetros fuzzy são grandes, a ponto de prejudicar o resultado da validação. Por fim, conclui-se que o modelo histerético, paramétrico, apresentou os melhores resultados, menor custo computacional e maior facilidade de implementação. / Since the appearance of semiactive systems in the early seventies, they have been gaining more applications in several engineering projects. In the specific case of semiactive systems using magneto rheological fluid, the first commercial products with this intelligent material were only successfully marketed for the first time in 1998 by LORD® Corporation, the same manufacturer of the actuator used in the present research work. Since then, the applications did not stop growing. From intelligent suspension systems to bridges and buildings, aiming at the safety of people and the structural health of buildings, to vehicle seats, aiming at passenger comfort and safety, magneto rheological fluid actuators occupy a large spectrum of applications. The objective of this work is to present a methodology for the validation of mathematical models, both parametric and non-parametric. For validation purposes, inverse problem techniques were used to optimize the model studied with respect to the experimental data, using the minimization of a relative error, based on the norm of the difference between the forces obtained from the test performed and the numerical model implemented in MATLAB® environment, divided by the norm of the experimental force. The advantages of parametric mathematical models are that they led to a rapid convergence to the results, and the disadvantage is that, since they have a well-defined law of formation, the shapes of the characteristic curves of the actuators are "rigid", i.e., they do not have enough freedom to change their shape drastically. Usually these curves follow a well-defined trend. The nonparametric model studied in this work is based on fuzzy logic, which has a greater "freedom" to model all the points of the experimental curve, conveniently. However, the difficulty in finding the fuzzy parameters is very important, to the point of compromising the validation result. Finally, it was concluded that the parametric hysteretic model presented the best results for design purposes, lower computational cost, and easier implementation as compared with competing models. / Dissertação (Mestrado)

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-05-14T11:10:23Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - João Paulo Moreira Bento - 2018.pdf: 9014096 bytes, checksum: 4e6dccb0b510fd01eb01da085929864d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-05-14T11:10:47Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - João Paulo Moreira Bento - 2018.pdf: 9014096 bytes, checksum: 4e6dccb0b510fd01eb01da085929864d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-14T11:10:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - João Paulo Moreira Bento - 2018.pdf: 9014096 bytes, checksum: 4e6dccb0b510fd01eb01da085929864d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-05-02 / There are several problems that can occur in components exposed to constant use and subjected to wear among the different types of structural components. Thus, in the last years it has been developed techniques able to monitor the health of the structures. In the last decades many non-destructive techniques have started to be used, among them we can mention the method of electromechanical impedance. This work proposes to present in the bibliographic review some basic concepts related to the main topics related to SHM (Structural Health Monitoring), such as smart materials, the different techniques, damage metrics and impedance analyzers. It will also be approached some techniques of classic optimization (random search) and bioinspired (bee colony algorithm and ant colony algorithm) that can be used to perform electromechanical impedance signals between damaged and non-damaged structures. Finally, it is presented the subject of Markov chains, a stochastic process, which a future state depends only on the present state and not on the other past states. The dissertation proposal is a case study (LEGO System) that aims to apply the concepts of electromechanical impedance, optimization and Markov chains for the monitoring of structural health in a defined system, and with this result, be able to provide data for a possible failure prediction. Concluding, it can realize the potentiality of the Markov chains associated to the electromechanical impedance method for monitoring and predicting future states. / Existem inúmeros problemas que podem surgir em componentes que estejam em constante uso e sujeito a desgastes dentre os diversos tipos de componentes estruturais. Para isto, nos últimos anos tem-se desenvolvido técnicas capazes de monitorar a integridade estrutural. Nas últimas décadas inúmeras técnicas não destrutivas começaram a ser utilizadas, dentre elas pode-se citar o método de impedância eletromecânica. Este trabalho propõe apresentar na revisão bibliográfica alguns conceitos básicos relacionados aos principais tópicos ligados a SHM (Structural Health Monitoring - Monitoramento da Integridade Estrutural), como materiais inteligentes, as diversas técnicas, métricas de dano e analisadores de impedância. Será abordado também algumas técnicas de otimização clássica (busca randômica) e bioinspirada (algoritmo de colônia de abelhas e algoritmo de colônia de formigas) que podem ser utilizadas para realizar comparações dos sinais de impedância eletromecânica entre estruturas sem dano e com dano. Por fim, é discutido sobre o tema de cadeias de Markov que é um processo estocástico onde um estado futuro depende apenas do estado presente e não dos demais estados passados. A proposta da dissertação é um estudo de caso em um sistema LEGO que visa aplicar os conceitos de impedância eletromecânica, otimização e cadeias de Markov para o monitoramento da integridade estrutural em um sistema definido e com isto, fornecer dados para uma possível previsão de falhas. Como conclusão, pode-se perceber a potencialidade das cadeias de Markov associado ao método da impedância eletromecânica para monitoramento e previsão de estados futuros.

O presente trabalho visa o desenvolvimento de uma formulação de um elemento finito de casca com capacidade de prever o comportamento de materiais compósitos inteligentes. Além disso, tem-se a implementação da referida formulação junto ao pacote comercial de elementos finitos Abaqus™, através de sub-rotinas em Fortran via sua ferramenta UEL (User Element). De posse da formulação implementada, realiza-se a avaliação de suas potencialidades e limitações através de estudos de casos. Para selecionar de forma criteriosa a formulação a ser avaliada, executa-se, inicialmente, uma revisão bibliográfica aprofundada sobre trabalhos relevantes na área. Posteriormente apresenta-se a fundamentação teórica da formulação selecionada, bem como uma discussão acerca dos diferentes modelos matemáticos existentes para piezeletricidade linear. Há também uma descrição sobre modelos de casca e do comportamento mecânico de materiais laminados. Além disso, tem-se que as particularidades existentes devido ao acoplamento piezoelétrico e a utilização da ferramenta UEL são discutidas. A metodologia utilizada no trabalho é abordada, evidenciando-se as diferentes etapas empregadas. Por fim, sete estudos de casos são investigados, comparando os resultados providos pelo elemento implementado via UEL com resultados da literatura, bem como, com resultados de experimentos realizados pelo Grupo de Estruturas Aeronáuticas da EESC/USP. Concluindo o trabalho, perspectivas futuras de novos projetos de pesquisas, fruto do presente trabalho, são apresentadas. Por fim, com base na análise dos resultados, conclui-se que a formulação proposta é capaz de simular o comportamento de estruturas fabricadas a partir de materiais compósitos inteligentes. No entanto, trabalhos futuros devem ser realizados com o intuito de melhorar a precisão dos resultados obtidos via UEL, sem gerar um elevado custo computacional. / The present work aims at the development of a shell finite element formulation in order to simulate the behavior of smart composite materials. Furthermore, the referred formulation is implemented within the commercial finite element package Abaqus™ by using Fortran subroutines through its UEL (User Element) tool. Based on the implemented formulation, case studies are used to evaluate its potentialities and limitations. A deep review of works in the area is carried out in order to perform a careful selection of the finite element formulation, which is implemented. After that, the theory for the selected formulation is presented, as well as a discussion of the different existing mathematical models for linear piezoelectricity. Also, a description of the mechanical behavior of laminated shells is shown. Besides, the particularities of the piezoelectric coupling and its implementations by using UEL tool are discussed. The used methodology is addressed, detailing its phases. Finally, seven case studies are investigated, comparing results provided by simulations by using the implemented element with results found in the literature and experimental results from experiments performed by the Aeronautical Structures Group of the EESC/USP. In conclusion, based on the analysis of the aforementioned results, it is established that the proposed formulation is capable of simulating the behavior of smart composite structures. However, future works should be introduced to enhance the precision of the solutions obtained through the UEL tool, without increasing the inherent computational cost.

Sabe-se que materiais compostos laminados são, hoje em dia, geralmente usados nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, naval e outras, principalmente por causa de suas atrativas propriedades se comparadas aos materiais isotrópicos, como alta rigidez/peso, alta resistência, alto amortecimento e boas propriedades relacionadas ao isolamento térmico e acústico, entre outras. Porém, o comportamento de estruturas feitas de materiais compostos pode ser aperfeiçoado através da utilização de materiais inteligentes. Dentre os diferentes tipos comercialmente disponíveis de materiais inteligentes, os materiais piezelétricos são amplamente usados como sensores e atuadores para o monitoramento e controle de estruturas. O efeito piezelétrico direto define que uma deformação mecânica aplicada ao material é convertida em uma carga elétrica. Por outro lado, o efeito piezelétrico inverso define que um potencial elétrico aplicado ao material é convertido em deformação mecânica. Estes efeitos governam a interação eletromecânica nos materiais piezelétricos. O Método dos Elementos Finitos, uma ferramenta amplamente reconhecida e poderosa para a análise de estruturas complexas, é capaz de realizar a integração dos componentes inteligentes e das partes estruturais clássicas. Sendo assim, o comportamento estático e dinâmico, linear e geometricamente não-linear, de estruturas compostas laminadas delgadas com lâminas piezelétricas incorporadas é analisado neste trabalho usando o Método dos Elementos Finitos (MEF). Elementos triangulares, chamados GPL-T9, com três nós e seis graus de liberdade por nó (três componentes de deslocamento e três de rotação) e um grau de liberdade por camada piezelétrica (potencial elétrico) são usados. Para a análise estática não-linear as equações de equilíbrio são solucionadas usando o Método do Controle de Deslocamentos Generalizados (MCDG) enquanto a solução dinâmica é obtida usando o Método de Newmark com Formulação Lagrangeana Atualizada (FLA). O sistema de equações é resolvido usando o Método dos Gradientes Conjugados (MGC) e nos casos não-lineares um esquema iterativo-incremental é empregado. Diversos exemplos numéricos são apresentados e comparados com resultados obtidos por outros autores com diferentes tipos de elementos e diferentes formulações. A concordância entre estes resultados demonstra a validade e a eficácia dos modelos desenvolvidos. / It is well known that laminate composite materials are nowadays commonly used in the aeronautical, aerospace, naval and other industries mainly because their attractive properties as compared to isotropic materials, such as higher stiffness/weight, higher strength, higher damping and good properties related to thermal or acoustic isolation, among others. However, the behavior of structures made of composite materials can be improved using smart materials. Among several kinds of commercially available smart materials, the piezoelectric materials are widely used as sensors and actuators for the monitoring and control of structures. The direct piezoelectric effect states that a mechanical strain applied to the material is converted to an electric charge. On the other hand, the converse piezoelectric effect states that an electric potential applied to the material is converted to mechanical strain. These effects govern the electromechanical interaction in piezoelectric materials. The finite element method, a widely accepted and powerful tool for analyzing complex structures, is capable of dealing with the integration of smart components and classic structural parts. So, linear and geometrically nonlinear static and dynamic behavior of thin laminate composite structures embedded with piezoelectric layers are analyzed in this work using the Finite Element Method (FEM). Triangular elements, called GPL-T9, with three nodes and six degrees of freedom per node (three displacement and three rotation components) and one degree of freedom per piezoelectric layer (electrical potential) are used. For static analysis the nonlinear equilibrium equations are solved using the Generalized Displacement Control Method (GDCM) while the dynamic solution is performed using the classical Newmark Method with an Updated Lagrangean Formulation (ULF). The system of equations is solved using the Gradient Cojugate Method (GCM) and in nonlinear cases an iterative-incremental scheme is employed. Several numerical examples are presented and compared with results obtained by other authors with different kind of elements and different schemes. The agreement among these results demonstrates the validity and effectiveness of the developed models.

Orientador: Elnatan Chagas Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T01:27:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cremonezi_AlcidesOliveira_M.pdf: 4474466 bytes, checksum: 5a33efaeb2ab330c00861ab393b6c732 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os sensores a fibra óptica são imunes à interferência eletromagnética (EMI), eles são normalmente encontrados em ambientes eletricamente ruidosos, especialmente em linhas de transmissão de alta voltagem. Essa é a característica principal que faz desse tipo de sensores ideais para empresas de Energia Elétrica. Esse trabalho apresenta uma nova abordagem, de precisão moderada, robusta e de baixo custo, para a fabricação de um transdutor de corrente elétrica para alta tensão, com detecção magnetostritiva utilizando material inteligente, Terfenol-D, e sensoriamento óptico através de grade de Bragg em fibra óptica (FBG). O núcleo magnético foi desenvolvido em formato toroidal e construído utilizando usinagem através de eletro-erosão, o que resultou em uma peça única com projeto mecânico robusto. Aplicando compressão mecânica ao sensor toroidal e fazendo sua resposta ficar muito próxima a uma função quadrática, foi possível calcular o valor RMS da corrente diretamente do sinal de saída do sensor, e com isso, eliminar qualquer polarização magnética DC utilizada em técnicas anteriores reportadas na literatura. Foi utilizada com sucesso, uma nova técnica de circuito eletrônico de interrogação que permite a medida de sinais AC e mantém o ponto de operação DC da FBG. Resultados experimentais medidos com o transdutor óptico desenvolvido mostraram que entre correntes de aproximadamente 200 a 900A o erro observado foi de apenas 1,2% e sua dependência com a temperatura dentro de um range de 25 a 450C mostrou erro máximo de 2%. O sistema desenvolvido apresenta rápida resposta a transiente e precisa de somente 34ms para alcançar o estado estacionário quando submetido a um aumento de 150% da corrente nele medida. Os resultados mostram que o projeto sugerido é adequado e muito promissor para a construção comercial de um transdutor óptico de corrente para alta tensão / Abstract: Optical sensors are passives and immunes to electromagnetic interferences (EMI), they are well suited for applications in electrically noisy environments, especially in high voltages transmission lines. This is the main characteristic that makes them ideal to electrical energy companies. A new approach to the fabrication of, moderated precision, robust and low-cost fiber Bragg gratings (FBG) optical current transducers using a Terfenol-D magnetostrictive smart material is presented. Electro-erosion was used to manufacture a magnetic core in a toroidal shape which resulted in a single piece robust mechanical design. By applying mechanical compression to the toroidal sensor and making its response very close to a quadratic function, it is possible to calculate the RMS value of the current directly from the output of the sensor and eliminate the DC biasing magnetic field used in previous literature reported techniques. A new electronic interrogation circuit technique which allows the measurement of AC signals and keeps the DC operation point of the FBG was implemented and successfully used in the prototype. Experimental results measured in the developed optical current transducer showed that an error of 1.2% was achieved for currents over approximately the 200 to 900A range and its temperature dependence in a range of 25 to 450C has showed a maximum error of 2%. The developed system presents a fast transient response, and needs only 34ms to reach the steady state after a 150% amplitude step increase is applied to current being measured. The results shows that the developed project is feasible and also very promisor to be considered on commercial applications / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica