Absorvedores de vibração são comumente usados em aplicações com intuito de reduzir indesejadas amplitudes de vibração de estruturas e maquinas vibrantes. O conceito de um absorvedor de vibração linear consiste na ideia de projetar um subsistema com frequência de ressonância coincidente com uma dada frequência de interesse, tal que a amplitude de vibração do sistema primário e significativamente reduzida quando comparada a situação original, sem o absorvedor de vibração. Porem, uma deficiência dos absorvedores de vibração lineares típicos e sua estreita faixa de frequência de operação. Para superar essa deficiência, muitas tentativas de solução usando subsistemas não lineares tem sido propostas na literatura, ja que se apropriadamente projetados, eles podem aumentar a faixa de frequência de absorção de vibração e/ou melhorar a redução das amplitudes de vibração do sistema primário. Contudo, a síntese e o projeto de tais absorvedores não lineares não e tão simples e direta como no caso linear. Baseado na geometria de uma topologia proposta e encontrada na literatura, que compreende a inclusão de uma montagem do tipo snap through truss no lugar da mola linear do absorvedor de vibração, este trabalho tem intenção de apresentar um estudo sobre o projeto e otimização de um absorvedor dinâmico de vibrações não linear. Portanto, o efeito dos parâmetros do absorvedor e analisado quanto as perspectivas de redução das amplitudes de vibração do sistema principal como também de aumento da faixa de frequência de operação. A analise paramétrica do absorvedor foi promovida para responder questões sobre as variáveis de projeto, tanto físicas como geométricas. Realizou-se otimização do absorvedor com objetivo de sintoniza-lo a frequência de trabalho desejada, através de busca extensiva e algoritmos genéticos. Os resultados mostram que o absorvedor não linear proposto pode ser mais efetivo que seu correspondente linear em ambos os aspectos, na redução da máxima amplitude de vibração e no aumento da faixa de frequência de absorção. Portanto, apesar da dificuldade inicial de projeto, esse tipo de absorvedor representa uma alternativa interessante na atenuação das amplitudes de vibração ao longo de uma extensa faixa de frequência. / Dynamic vibration absorbers are commonly used in several applications in order to reduce undesired vibration amplitudes of vibrating machinery and structures. The concept of a linear vibration absorber is based on the idea of designing a subsystem with a resonance frequency coincident with a given frequency of interest such that the vibration amplitude of the primary system is significantly reduced when compared to the original situation (without the vibration absorber). But one of the known handicaps of typical linear vibration absorbers is their narrow frequency range of operation. To overcome this handicap, a number of tentative solutions have been proposed in the literature using nonlinear subsystems. If properly designed, they could enlarge the frequency range of vibration absorption and/or improve vibration reduction of the primary system. However, the synthesis and design of such nonlinear absorbers are not as straightforward as for their linear counterpart. A proposed design found in the open literature consists of replacing the linear spring of the vibration absorber by a nonlinear snap-through truss. This work aims to present a study on the design and optimization of a nonlinear dynamic vibration absorber based on snap-through absorber geometry. The effect of the absorber parameters was analyzed on both, the primary system vibration amplitude reduction and the frequency range of operation. Parametric analyses of the absorber were carried out to answer questions about the physical and geometric design variables. The absorber optimization was performed in two different ways, by extensive search and genetic algorithms, in order to tune it in the desired working frequency. The results show that the proposed nonlinear vibration absorber may be more effective than its linear counterpart both in terms of maximum vibration amplitude reduction and absorption frequency-range. Therefore, despite the increased design complexities such an absorber is an interesting alterna- tive in attenuating vibration amplitudes over a wide frequency range.

A preocupação com o impacto ambiental decorrente da implantação e operação de novas linhas metroferroviárias faz com que seja necessário o uso de sistemas que amorteçam as vibrações e atenuem os ruídos secundários oriundos deste modo de transporte. Uma solução de atenuação largamente empregada é o sistema massa-mola, composto por lajes de concreto armado, apoiadas sobre materiais resilientes. Este trabalho tem como objetivo o estudo de alternativas para mitigação da vibração da via permanente por meio do conhecimento da variabilidade das respostas dinâmicas e frequências naturais de sistemas massa-mola criados computacionalmente. Entre as soluções propostas tem-se o uso de concreto pesado na construção da laje flutuante. A avaliação foi realizada utilizando modelos numéricos calibrados com dados experimentais presentes nas revisões bibliográficas. Os resultados do estudo indicaram que as soluções propostas podem ser consideradas nos projetos de atenuação de vibração de via permanente. / The concern with the environmental impact resulting from the implementation and operation of new subway lines makes it necessary to use systems that cushion the vibrations and attenuate the secondary noises from this mode of transportation. A widely used attenuation solution is the mass-spring system, composed of reinforced concrete slabs resting on resilient materials. The objective of this work is to study the alternatives for permanent vibration attenuation through the knowledge of the variability of the dynamic responses and natural frequencies of computationally created mass-spring systems. Among the proposed solutions is the use of heavy concrete for construction of the floating slab. The evaluation was performed using numerical models calibrated with experimental data from bibliographic reviews. The results of the study indicated that the proposed solutions can be considered in permanent vibration attenuation projects.

The modeling, analysis and experimental verification of a two-degree-of-freedom typical aeroelastic section with superelastic shape memory alloy springs are presented. The focus is to investigate the effects of the phase transformation of the shape memory alloy springs on the flutter and post-flutter behaviors of the typical section. The shape memory alloy phase transformation kinetics is described by a modified version of well-known phenomenological models. The shape memory alloy spring model is based on classical spring design (with the pure shear assumption) and modified to account for the nonlinear effects of phase transformation. The cross-section of the shape memory alloy wire is represented by a linear radial distribution of shear strain and nonlinear radial distributions of shear stress and martensitic fraction. The equations of motion of a linear typical section are modified to include the shape memory alloy springs. A linear unsteady aerodynamic model is employed to determine the aerodynamic loads. The proposed model is cast into state-space representation and solved with a Runge-Kutta method. It is numerically and experimentally shown that the phase transformation of shape memory alloy springs can be effectively exploited to enhance the aeroelastic behavior of a typical section by replacing unstable flutter oscillations by stable oscillations of acceptable amplitudes over a range of airflow speeds, providing a useful method of passive aeroelastic control. Since the modified aeroelastic behavior is attractive for wind energy harvesting purposes, electromechanical coupling is also modeled in the plunge degree-of-freedom along with a resistive load in the electrical domain for electrical power estimation. The exploitation of the shape memory alloy phase transformation is more attractive for airfoil-based wind energy harvesting performance than the use of typical concentrated nonlinearities (e.g., hardening steel) in terms of enhanced electrical power output. / A modelagem, análise e verificação experimental de uma seção típica aeroelástica com dois graus de liberdade e molas com memória de forma superelásticas são apresentadas. O foco é investigar os efeitos da histerese pseudoelástica das molas com memória de forma nos comportamentos de flutter e pós-flutter da seção típica. A cinética das transformações de fase nas molas com memória de forma é descrita por uma versão modificada de modelos fenomenológicos amplamente conhecidos. O modelo de molas helicoidais com memória de forma é baseado em teoria clássica de molas (com a hipótese de cisalhamento puro) e modificado para representar os efeitos não lineares de transformação de fase. A seção transversal do fio da mola com memória de forma é representada por uma distribuição radial e linear de deformações de cisalhamento e por distribuições radiais e não lineares de tensões cisalhantes e de frações martensíticas. As equações de movimento de uma seção típica linear são modificadas para incluir as molas com memória de forma. Um modelo aerodinâmico linear não estacionário é utilizado para se determinar as cargas aerodinâmicas. O modelo proposto é representado em espaço de estados e resolvido com um método Runge-Kutta. Mostra-se, numérica e experimentalmente, que a histerese pseudoelástica de molas com memória de forma pode ser efetivamente explorada para melhorar o comportamento aeroelástico de uma seção típica ao transformar oscilações instáveis de flutter em oscilações estáveis e de amplitudes aceitáveis em uma faixa de velocidades do escoamento, provendo um método útil de controle aeroelástico passivo. Como o comportamento aeroelástico modificado (pela histerese pseudoelástica) é atrativo para a coleta de energia do escoamento, um acoplamento eletromecânico é modelado no grau de liberdade de deslocamento linear, juntamente com uma carga resistiva no domínio elétrico do problema para se estimar a potência elétrica gerada. A exploração da histerese pseudoelástica das molas com memória de forma é mais atrativa para a performance da coleta aeroelástica de energia do que o uso de não linearidades concentradas típicas (como o enrijecimento não linear do aço) em termos de melhoria na potência elétrica gerada.

A preocupação com o impacto ambiental decorrente da implantação e operação de novas linhas metroferroviárias faz com que seja necessário o uso de sistemas que amorteçam as vibrações e atenuem os ruídos secundários oriundos deste modo de transporte. Uma solução de atenuação largamente empregada é o sistema massa-mola, composto por lajes de concreto armado, apoiadas sobre materiais resilientes. Este trabalho tem como objetivo o estudo de alternativas para mitigação da vibração da via permanente por meio do conhecimento da variabilidade das respostas dinâmicas e frequências naturais de sistemas massa-mola criados computacionalmente. Entre as soluções propostas tem-se o uso de concreto pesado na construção da laje flutuante. A avaliação foi realizada utilizando modelos numéricos calibrados com dados experimentais presentes nas revisões bibliográficas. Os resultados do estudo indicaram que as soluções propostas podem ser consideradas nos projetos de atenuação de vibração de via permanente. / The concern with the environmental impact resulting from the implementation and operation of new subway lines makes it necessary to use systems that cushion the vibrations and attenuate the secondary noises from this mode of transportation. A widely used attenuation solution is the mass-spring system, composed of reinforced concrete slabs resting on resilient materials. The objective of this work is to study the alternatives for permanent vibration attenuation through the knowledge of the variability of the dynamic responses and natural frequencies of computationally created mass-spring systems. Among the proposed solutions is the use of heavy concrete for construction of the floating slab. The evaluation was performed using numerical models calibrated with experimental data from bibliographic reviews. The results of the study indicated that the proposed solutions can be considered in permanent vibration attenuation projects.

Os materiais compósitos (composites) poliméricos reforçados são bem conhecidos por sua excelente combinação de alta rigidez estrutural e baixo peso. Sua inerente anisotropia permite ao projetista customizar as propriedades do material juntamente com as características geométricas e funcionais da peça de maneira a se obter o desempenho desejado. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de ferramentas de auxílio para análise e otimização que possibilitem dimensionar de modo rápido e seguro a peça a ser fabricada considerando-se os requisitos estruturais, características funcionais e restrições impostas pelo processo de fabricação. Dentre esses requisitos, considera-se o comportamento dinâmico de componentes fabricados a partir destes materiais. Sendo assim, confeccionou-se amostras na forma de vigas através do processo de hand-lay-up (moldagem manual) seguido de uma moldagem sob pressão e aquecimento. Um banco de ensaios foi montado com amostras a base de resina epoxi e fibra de vidro possuindo diferentes sequências de empilhamento de lâminas para a realização de uma análise modal. A partir dos resultados obtidos experimentalmente, buscou-se verificar a influência da sequência de empilhamento das lâminas nas frequências naturais e nos fatores de amortecimento modal. Tais experimentos foram também utilizados para validar os resultados do modelo teórico proveniente de uma análise numérica realizada pelo método dos elementos finitos. Finalizando, o trabalho propõe um ciclo de desenvolvimento de projeto para estes componentes integrando procedimentos de simulação numérica e experimentais visando a otimização do projeto do componente com maior rapidez, confiabilidade e menor custo. / The composite materials are well known by their excellent combination of high structural stiffness and low weight. Their inherent anisotropy allows the designer to tailor the material in order to achieve the desired performance requirements. Thus, it is of fundamental importance to develop tools that allow the designer to obtain optimized designs considering the structural requirements, functional characteristics and restrictions imposed by the production process. Within these requirements, this work considers the dynamic behavior of components manufactured from polymer reinforced materials (epoxy and glass fiber). To this end, some beams were made using the hand-lay-up process followed by a molding under pressure and heating. A set of experimental dynamic tests were carried out using samples with different fiber orientations and stacking sequences. From the results, the influence of the fibers orientations as well as the stacking sequences on the natural frequencies and modal damping were investigate. Also, these experiments were used to validate the theoretical model and the results obtained from the finite element analysis. Finally, it was proposed a design cycle which integrates experimental and theoretical procedures in order to get optimized designs in a faster and reliable way.

O detector de ondas gravitacionais Mário Schenberg consiste de uma massa ressonante esférica de Cu(94%)Al(6%) com 65cm de diâmetro, pesando aproximadamente 1,15T, com um Q mecânico da ordem de 106 e todos os sistemas que possibilitam o seu funcionamento como detector de ondas gravitacionais. O projeto do detector prevê para este uma sensibilidade da ordem de 10-20 (em deformação). Para isso dependerá da eficiência dos sistemas vibracionais que utiliza. Neste trabalho os casadores mecânicos de impedância, foram simulados com um programa de elementos finitos e otimizados quanto à sua banda e acoplamento vibracional. Foi feita a análise do sistema de isolamento vibracional da nova suspensão, por meio da resposta em frequência do ruído sísmico na superfície da esfera, nos mesmos locais onde estão conectados os transdutores. Foi proposto um projeto novo para atenuar os ruídos provenientes do cabeamento que conduz os sinais de micro-ondas. Foi avaliado o efeito do ruído sísmico introduzido na suspensão e na esfera, também nos locais dos transdutores, utilizando este novo projeto. É apresentado um projeto para a conexão térmica do refrigerador por diluição, que a análise por simulação numérica demonstrou ser eficaz. A modelagem para análise vibracional é a melhor já feita para detectores esféricos, isto se comparada às que foram encontrados na literatura. Os resultados alcançados demonstraram que as atenuação em todos os sistemas analisados são adequadas às metas do projeto do detector Mário Schenberg, ou seja, os ruídos remanescentes estão abaixo do ruído térmico esperado na temperatura de 50mK. / The Gravitational Wave detector Mario Schenberg consist of a spherical resonant-mass made of CuAl(6%) with 65 cm diameter e weighting 1.15 Ton, with a Mechanical quality factor of about 106 and all the systems that allows it to word as a gravitational wave detector. The detector design was made for it to reach a sensitivity of 10-20 (strain sensitivity). To reach this goal it depends on the efficiency of the it vibrational systems. In this work the transducers mechanical impedance matchers were simulated with a finite element program and optimized in its band and vibrational coupling. A analysis of the vibrational isolation of the new suspension was made by the frequency response of the seismic noise on the sphere surface, on the same places where they will be connected to the transducers. A new design for attenuation of the noise due to microwave cabling was proposed. The seismic noise introduced on the suspension and on the sphere was simulated using this new design. A design for the dilution refrigerator thermal connection is presented, and its performance is measured in a analysis in a finite element moddeling, and showed itself efficienty. This vibration model for the detector is the best one ever made for spherical detectors, if compared to the literature. Results obtained showed that the atennuation in all the analysed systems are compatible to the Mário Schenberg detector design goals, it means that, the remaining noises are below the expected thermal noise at the temperature of 50 mK.

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Os materiais compósitos (composites) poliméricos reforçados são bem conhecidos por sua excelente combinação de alta rigidez estrutural e baixo peso. Sua inerente anisotropia permite ao projetista customizar as propriedades do material juntamente com as características geométricas e funcionais da peça de maneira a se obter o desempenho desejado. Desta forma, é de fundamental importância que o projetista disponha de ferramentas de auxílio para análise e otimização que possibilitem dimensionar de modo rápido e seguro a peça a ser fabricada considerando-se os requisitos estruturais, características funcionais e restrições impostas pelo processo de fabricação. Dentre esses requisitos, considera-se o comportamento dinâmico de componentes fabricados a partir destes materiais. Sendo assim, confeccionou-se amostras na forma de vigas através do processo de hand-lay-up (moldagem manual) seguido de uma moldagem sob pressão e aquecimento. Um banco de ensaios foi montado com amostras a base de resina epoxi e fibra de vidro possuindo diferentes sequências de empilhamento de lâminas para a realização de uma análise modal. A partir dos resultados obtidos experimentalmente, buscou-se verificar a influência da sequência de empilhamento das lâminas nas frequências naturais e nos fatores de amortecimento modal. Tais experimentos foram também utilizados para validar os resultados do modelo teórico proveniente de uma análise numérica realizada pelo método dos elementos finitos. Finalizando, o trabalho propõe um ciclo de desenvolvimento de projeto para estes componentes integrando procedimentos de simulação numérica e experimentais visando a otimização do projeto do componente com maior rapidez, confiabilidade e menor custo. / The composite materials are well known by their excellent combination of high structural stiffness and low weight. Their inherent anisotropy allows the designer to tailor the material in order to achieve the desired performance requirements. Thus, it is of fundamental importance to develop tools that allow the designer to obtain optimized designs considering the structural requirements, functional characteristics and restrictions imposed by the production process. Within these requirements, this work considers the dynamic behavior of components manufactured from polymer reinforced materials (epoxy and glass fiber). To this end, some beams were made using the hand-lay-up process followed by a molding under pressure and heating. A set of experimental dynamic tests were carried out using samples with different fiber orientations and stacking sequences. From the results, the influence of the fibers orientations as well as the stacking sequences on the natural frequencies and modal damping were investigate. Also, these experiments were used to validate the theoretical model and the results obtained from the finite element analysis. Finally, it was proposed a design cycle which integrates experimental and theoretical procedures in order to get optimized designs in a faster and reliable way.

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.

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