Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

Esta dissertação apresenta uma análise numérica do controle de vibrações estruturais através de cerâmicas piezoelétricas em extensão e em cisalhamento conectadas a circuitos ativo-passivos compostos por resistência, indutância e fonte de tensão. Para tal, um modelo de elementos finitos de vigas sanduíche com três camadas elásticas e/ou piezoelétricas foi desenvolvido. Realizou-se também uma modelagem dos componentes do circuito elétrico e seu acoplamento à estrutura gerando assim uma equação de movimento acoplada para a estrutura com elementos piezoelétricos conectados aos circuitos elétricos. Uma análise harmônica das equações obtidas foi realizada para se obter uma avaliação preliminar dos efeitos causados pelos componentes elétricos do circuito na estrutura. Observou-se que os elementos passivos do circuito, resistência e indutância, tem não somente um efeito de absorvedor dinâmico de vibrações mas, também, promovem uma amplificação da autoridade de controle no caso de se atuar através da fonte de tensão. Usando a metodologia tradicional de projeto de absorvedores dinâmicos de vibrações, derivou-se expressões para os valores de resistência e indutância de modo a maximizar o desempenho passivo do sistema. Uma análise numérica do desempenho na redução das amplitudes de vibração em um viga engastada-livre com uma cerâmica piezoelétrica em extensão ou cisalhamento foi realizada mostrando bons resultados. Em seguida, uma análise da autoridade de controle para estas estruturas foi realizada visando a implementação de um controle híbrido ativo-passivo. A parcela ativa do controle foi obtida usando-se uma estratégia de controle por retroalimentação ótima do tipo linear quadratic regulator para calcular a tensão aplicada ao circuito. Uma comparação entre os resultados mostra que o controle híbrido ativo-passivo é sempre superior aos controles puramente ativos ou passivo para os dois casos estudados, com cerâmicas piezoelétricas em extensão e cisalhamento. / This work presents a numerical analysis of the structural vibration control using piezoelectric materials in extension and shear mode connected to active-passive electric circuits composed of the resistance, inductance and voltage source. For that, a finite element model for sandwich beams with three elastic or piezoelectric layers was developed. A modeling of the electric circuit dynamics and its coupling to the structure with piezoelectric elements was also done. A harmonic analysis of the resulting equations was performed to yield a preliminary evaluation of the effects caused by the electric circuit components on the structure. It was observed that the passive circuit components not only lead to a dynamic vibration absorber effect but also to an amplification of the control authority in case of actuation using the voltage source. Using the standard methodology for the design of dynamic vibration absorbers, expressions were derived for the resistance and inductance values that optimize the passive vibration control performance of the system. A numerical analysis of the passive vibration control was performed for cantilever beams with extension and shear piezoelectric ceramics showing satisfactory results. Then, an analysis of the control authority was carried out for the same structures aiming at an active-passive vibration control. The active control was achieved using a linear quadratic regulator optimal feedback strategy to evaluate the voltage applied to the circuit. A comparison between the obtained results show that hybrid active-passive control is always superior to the purely active or purely passive control for both cases studied, with extension and shear piezoelectric ceramics.

Esta dissertação tem como objetivo principal o estudo das técnicas de cancelamento de massa, bem como suas aplicações em análise modal experimental. Estas técnicas são utilizadas na redução de determinados erros nos dados de resposta em frequência da estrutura sob estudo. Estes erros são por sua vez causados por fontes adicionais de inércia, tais como acelerômetros e transdutores de força, que são frequentemente utilizados nos ensaios para o levantamento das características dinâmicas da estrutura. As técnicas de cancelamento de massa estudadas neste trabalho são desenvolvidas a partir de uma modelagem das relações de entrada e saída no domínio da frequência, utilizando-se para tanto as Funções de Resposta em Frequência (FRF), bem como conceitos de subestruturação. Os modelos analíticos utilizados no problema de cancelamento de massa são também aplicados na geração de FRFs desconhecidas para a estrutura sob estudo, a partir de um subconjunto de FRFs medidas com massas adicionais acopladas à estrutura. Os métodos estudados são aplicados a dados obtidos através de simulações numéricas em sistemas discretos, bem como a dados experimentais provenientes de ensaios em estruturas simples. Resultados satisfatórios foram obtidos tanto a partir das simulações numéricas quanto na análise experimental para o problema de cancelamento de massa. Na obtenção de FRFs desconhecidas, verificou-se que os modelos teóricos conduzem a resultados satisfatórios em determinadas situações, e que o ruído encontrado em dados experimentais representa um fator detrimental na utilização das técnicas de cancelamento de massa para o propósito de gerar-se FRF desconhecidas a partir de FRF efetivamente medidas na estrutura sob estudo. / The goal of this dissertation is to develop a study on mass cancellation techniques and their applications in experimental modal analysis. These techniques are commonly employed in the reduction of experimental errors on the structure\'s measured frequency response data. Such errors are in turn caused by extra masses such as accelerometer and force transducers, that are utilized on the measurement of the system\'s Frequency Response Functions (FRF). The mass cancellation techniques studied here are developed through frequency domain input and output relationships as well as substructuring concepts. The analytical models employed in the mass cancellation problem are also applied in obtaining unknown FRF from a subset of measured FRF that are measured with extra masses attached to the structure. The methods studied are applied to numerically simulated data from discrete systems, as well as to experimental data coming from modal tests performed on simple structures. Reasonably good results are obtained in either the numerical and experimental analysis for the mass cancellation problem. In obtaining unknown FRF data, it was verified that the models generated reasonable results in some circumstances, and that experimental noise is a major source of error in using these mass cancellation techniques for the purpose of obtaining unmeasured data from a subset of measured FRF.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices em travessas de pré-distribuidores de turbinas hidráulicas tem sido estudado nos últimos anos e várias soluções têm sido adotadas para minimizar interferências na estrutura que podem causar fratura por fadiga. O princípio básico das modificações é alterar o perfil da travessa de modo que as frequências de emissão de vórtices não coincidam com as frequências naturais da estrutura. Este trabalho tem como objetivo avaliar através de uma série de simulações computacionais um perfil mais adequado para um pré-distribuidor de turbina Francis. Essas simulações envolvem o cálculo do escoamento ao redor da travessa e da vibração induzida por vórtices nele presentes, bem como uma técnica que combina as análises dinâmicas com uma otimização paramétrica. Para isso, foi utilizado um código comercial de CFD, ANSYS Fluent e o cálculo da resposta estrutural e seu acoplamento com as equações do escoamento foi feito através de uma UDF (User Defined Function). Para validar a metodologia, a resposta estrutural de um corpo prismático sobre base elástica foi calculada e comparada a dados previamente publicados na literatura. Por fim, um código desenvolvido controla a análise fluido-estrutural e passa as variáveis para o otimizador Mode Frontier, que trabalha para encontrar a estrutura mais eficiente variando-se os parâmetros pré-determinados da geometria da peça. A metodologia desenvolvida tem a vantagem de ajudar no projeto de tais componentes sem depender excessivamente de métodos experimentais ou regras empíricas. Dessa forma, torna possível modificar perfis existentes ou desenvolver perfis novos baseado nos melhores critérios de manufatura. / Vortex induced vibration phenomena in hydraulic turbines stay vanes have been studied in the last years and several solutions have been adopted in order to minimize interferences that can cause fatigue in the structure. The basic principle of all modifications is to change the stay vane profile so the natural vortex shedding frequency is different from the natural frequencies of the structure. This work presents a detailed computational simulation of a Francis turbine stay vane whose main objective is to find out a more suitable profile these components should assume. These simulations involve the calculation of the flow around the vanes and the associated vortex induced vibration in the structure in addition to a technique that combines the dynamic analysis with a parametric optimization In order to do that, a commercial CFD code, ANSYS Fluent, was adopted and the calculation of the structural response and its coupling with the flow equations was done with User Defined Functions. Validation of the methodology was made by comparing the structural response of an elastically-mounted prismatic body immersed in uniform flow with previously published data. Finally, a developed code controls the FSI analysis and provides information about the vibrations to the Mode Frontier optimizer, responsible to address the problem and determine the set of parameters that lead to the most efficient structure. The methodology developed has the advantage of helping the design of such components without depending excessively on experimental methods or empirical rules. Also, it allows either modifying existing profiles or choosing the best shape for new ones based on the best manufacturing criteria.

A análise de vibrações nos sistemas estruturais e rotativos permite detectar problemas indesejáveis, como a fadiga estrutural e o desgaste excessivo, que contribuem para a redução da vida útil do sistema e seus componentes. Tradicionalmente, a medição das vibrações é realizada por sensores de contato (acelerômetros e extensômetros), que possuem como inconveniente a adição de sua massa no sistema. Como alternativa, existem os sensores de não contato (LVD e ESPI), que são equipamentos de custo elevado. Este trabalho visa o desenvolvimento de um equipamento de baixo custo que realize medições multi-pontos sem contato do comportamento vibratório de estruturas e eixos rotativos. O método proposto utiliza como base os princípios da fotogrametria em conjunto com técnicas de subamostragem, que são utilizadas em estruturas ou máquinas com frequências de vibração conhecidas (e.g máquinas rotativas). A metodologia foi inicialmente aplicada em uma viga engastada-livre, excitada periodicamente por um shaker eletrodinâmico e posteriormente em um sistema rotativo montado em um bancada de testes. A viabilidade em se utilizar o método foi verificada comparando os resultados obtidos com as medições realizadas por um vibrômetro laser Doppler, no caso do sistema estrutural, e por sensores de proximidade indutivo nas vibrações do eixo rotativo. Com base nos comparativos, conclui-se que este método, mesmo apresentando limitações de resolução, pode ser perfeitamente empregado em medições de sistemas estruturais e rotativos assim como na análise modal operacional de estruturas. / The analysis of vibrations in structural and rotating systems allows the detection of undesirable problems, such as the structural fatigue and excessive wear, which contribute to the reduction of the useful life of the systems and their components. Traditionally, the measurement of vibrations is carried out by contacting sensors (accelerometers and strain gauges), which have the inconvenience of adding mass into the system. Alternativelly, there are the non-contacting sensors (LVD and ESPI), which are high cost equipments. This work aims at developing a low cost equipment that carry out multi-point non-contact measurements of the vibratory behavior of structures and rotating shafts. The proposed method uses as a basis the principles of photogrammetry together with sub-sampling techniques, which are used in structure or machines with known vibration frequencies (e.g rotating machines). The methodology was initially applied on a cantilever beam, periodically excited by an electrodynamic shaker and later in a rotating system mounted on a test bench. The feasibility of using the method was verified comparing the results obtained with measurements from a laser Doppler vibrometer, in the case of the structural system, and with inductive proximity sensors in the rotating shaft vibration. Based on the comparison analysis, one observes that this method can be perfectly used in vibration measurements in structural and rotating systems even with limitations in resolution as well as in operational modal analysis of structures.

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Como forma de solucionar tais problemas pode-se empregar técnicas de controle ativo. O controle ativo estrutural consiste basicamente em impor forças de controle à estrutura visando a redução das amplitudes de vibração. Normalmente utiliza-se atuadores como macacos hidráulicos para a imposição das forças de controle. Uma das ferramentas mais importantes usadas na concepção de um sistema de controle ativo são os algoritmos numéricos usados no cálculo das forças de controle. Em geral estes algoritmos são baseados na resposta monitorada da estrutura e a eficácia do sistema de controle está diretamente ligada à qualidade dos algoritmos empregados. Dentre os algoritmos usados no controle ativo estão aqueles decorrentes do controle ótimo, definido por um regulador quadrático para sistemas de comportamento linear. Nesse caso, para o cálculo das forças de controle é necessária a determinação da matriz de Riccati, obtida através de métodos tais como: o algoritmo de Potter, o método da retro-integração temporal, o algoritmo LQR e o algoritmo baseado no método de Newton- Raphson, proposto nesta dissertação de mestrado. Um dos grandes obstáculos para a aplicação do controle ótimo em estruturas reais é que, em geral, os algoritmos de controle demandam o monitoramento de todos os graus de liberade (GLs) da estrutura. Alternativamente, pode-se utilizar métodos para a estimativa das respostas dinâmicas dos GLs não monitorados tais como os algoritmos denominados observadores apresentados neste trabalho. Finalmente pode-se afirmar que os ruídos inerentes aos sinais dos GLs monitorados podem prejudicar a qualidade do controle ativo. Desta forma faz-se também neste trabalho a avaliação da aplicação do filtro Kalman-Bucy visando a redução das perturbações geradas pelos ruídos em sistemas de controle ativo. Em suma, faz-se nesse trabalho uma avaliação de algoritmos numéricos aplicados ao controle ativo de vibrações mecânicas onde três aspectos inerentes aos algoritmos de controle são abordados: 1) exatidão no cálculo da matriz de Riccati; 2) eficiência do uso de algoritmos com a metodologia dos observadores de estado para estimativa de GLs não monitorados; 3) eficiência do uso do filtro de Kalman-Bucy para a redução de perturbações do sistema de controle geradas por ruídos. Os resultados obtidos mostram que o uso do algoritmo de Newton-Raphson, proposto neste trabalho, apresenta valores mais precisos para a determinação da Matriz de Riccati, levando a maiores reduções de vibrações com maiores magnitudes de forças de controle. Nota-se também que a técnica dos observadores de estado e do filtro de Kalman-Bucy se mostram eficientes nos sistemas de controle analisados. / With the development of new technologies in materials, electronics and computing, the conception of structural projects has been changed. Structures are getting lighter and slender, which in some cases, leads to vibration problems. Those problems can be solved with techniques of active control. The structural active control consists basically on imposing control forces on a structure aiming to reduce the amplitude of vibration. Usually hydraulic actuators are used for the imposition of control forces. One of the most important tool used in an active control system conception are numerical algorithms employed in the calculation of controlling forces. In general these algorithms are based on the response sensors of the structure and the efficiency of the control system is directly related to the quality of the employed algorithms. Among the algorithms used in active control are those arising from optimal control, wich are defined by a quadratic regulator for linear system. In this case, for the calculation of controlling forces is necessary to determine Riccati matrix, which may be obtained by means of Potter’s algorithm, the method of backward integration in time, the LQR algorithm and the algorithm based on Newton-Raphson method, proposed in this dissertation. One of the greatest obstacles for the application of optimal control in real structures is the need for control algorithms, in general, to request a monitoring of all degrees of freedom (DFs) of the structure. Alternatively, one way use methods for estimating the dynamic response of non-sensored DFs. This work presents the analysis of algorithms called state observers used in active control of structures. Finally it can be affirmed that the noise inherent to the DFs signs monitored may harm the quality of the active control. Thus it is also evaluated the implementation of Kalman-Bucy filter in order to reduce the disturbances generated by the noise in control system with state observers. In short, this work is an evaluation of numerical algorithms applied to active control of vibration and the aspects related to control algorithm are: 1) accuracy in the calculation of the Riccati matrix; 2) efficiency in the use of algorithms with the methodology of state observers to estimate unmonitored DFs, 3) influence of noise on the efficiency of active control of structures with state observers. The presented results support the conclusion that the proposed Newton-Raphson algorithm provides more precise values for the Riccati Matrix determination, leading to a better performance of control system. It was also noticed that the techniques of state observers and Kalman-Bucy filter had also good performance for the studied models.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Esta Dissertação versa sobre a análise de confiabilidade de estruturas sujeitas a controle ativo e passivo de vibrações, com ênfase na aplicação dos métodos de confiabilidade de primeira ordem (FORM, First Order Reliability Method) e segunda ordem (SORM, Second Order Reliability Method). Esses são usados para calcular o índice de confiabilidade e, consequentemente, a probabilidade de falha de estruturas, considerando variáveis aleatórias modeladas segundo funções densidade de probabilidade. Três técnicas de controle são avaliadas: controle ativo empregando atuadores piezelétricos; controle passivo por absorvedores dinâmicos de vibrações e controle passivo baseado em atuadores piezelétricos conectados a circuitos shunt ressonantes. Para cada caso, são definidas funções de estado limite que descrevem limites operacionais e/ou requisitos de projeto, cuja avaliação é baseada em respostas obtidas por meio de modelos de elementos finitos das estruturas analisadas. Para cada uma das técnicas de controle, aplicações numéricas dos métodos FORM e SORM são realizadas considerando como estrutura principal uma treliça plana. Para efeito de avaliação da precisão das estimações de confiabilidade fornecidas por estes métodos, foram também utilizadas Simulações de Monte Carlo. A partir dos resultados, são discutidas as características específicas observadas para cada técnica de controle. Em específico, para duas delas foram identificados domínios de segurança e de falha de formas atípicas, em cujos casos, fica inviabilizado o uso dos métodos FORM e SORM. De modo geral, os resultados confirmam a importância e a conveniência de se aplicarem os métodos de análise de confiabilidade a estruturas sujeitas a procedimentos de controle de vibrações. / This dissertation is devoted to the reliability analysis of structures subjected to active and passive vibration control, with emphasis on the use of First Order Reliability Method (FORM) and Second Order Reliability Method (SORM). These methods are used to evaluate the reliability indices and the associated failure probability, considering that the random variables are modeled by probability density functions. Three techniques of vibration control are considered, namely: active control using PZT stack actuators, passive control based on dynamic vibration absorbers, and passive control based on piezoelectric transducers connected to resonant shunt circuits. For each technique, limit state functions are defined related to the operational limitations or design requirements. Their evaluation is made from structural responses obtained from finite element models. For each control technique, numerical applications of FORM and SORM are carried-out for a two-dimensional truss, defined as the structure of interest. To assess the accuracy of the reliability estimations provided by those methods, Monte Carlo Simulations are also performed. The numerical results enable to put in evidence specific characteristics of each control technique as related to reliability. Specifically, for two of them it is verified the occurrence of atypical geometrical forms of the safety and failure domains, which preclude the use of FORM and SORM. In general, the results confirm the importance and convenience of performing reliability assessment of structures subjected to vibration control procedures. / Dissertação (Mestrado)

Os resultados de uma simulação numérica são apresentados para amplitudes de vibração induzidas por um escoamento transversal num feixe tubular no regime de instabilidade fluidelástica.O feixe tubular considerado tem geometria e características iguais às de uma instalação equivalente descrita na literatura, para a qual estão disponíveis as medições experimentais das amplitudes de vibração no regime de instabilidade elástica.O arranjo tipo triângulo rodado tem uma relação passo/diâmetro de 1,375 e consiste de um tubo móvel cercado por 134 tubos rígidos.A simulação numérica foi efetuada através de um software comercial de CFD (Computational Fluid dynamics).Para a região em torno de cada tubo foi considerada uma malha com dimensões do elemento crescendo geometricamente na direção normal ao tubo com fator de crescimento 1,13 , sendo a dimensão do elemento adjacente ao tubo igual a 0,1% do diâmetro externo do tubo.Na simulação numérica o escoamento foi considerado incompressível, monofásico, turbulento e bidimensional. Os dados do escoamento foram considerados idênticos aos das experiências da instalação descrita na literatura.Os resultados obtidos para as amplitudes pela simulação numérica são comparados com os resultados obtidos experimentalmente na instalação acima citada.Os desvios da maioria dos valores calculados em relação aos valores experimentais estão numa faixa aceitável. Isto mostra que existe a possibilidade de utilização, num futuro próximo, de CFD para análise deste tipo de problemas. / Results from a numerical simulation are reported for amplitudes of cross-flow induced vibrations at the fluid elastic instability regime in a tube bank. The tube bank has identical geometry and characteristics as for an experimental facility described in the literature, for which there are experimental measurements of the amplitudes of vibrations at the fluid elastic instability regime.The rotated triangular array has a pitch ratio of 1.375 and consists of 1 movable tube surrounded by 134 rigid tubes. The numerical simulations were accomplished with a commercial CFD (Computational Fluid Dynamics) software. For the region around each tube, a mesh with elements dimensions growing geometrically normal to the tube was considered, with growing factor 1.13, and the dimension for the element adjacent to the tube wall was set to 0.1% of the tube external diameter. The flow was considered incompressible, monophasic, turbulent and two-dimensional for the numerical simulation. The flow data considered were the same as for the experiments at the facility. The results presented in this paper for the amplitudes obtained by numerical simulation are compared with the experimental results obtained in the above mentioned experimental facility.The differences between the calculated values and the experimental values are acceptable. This show that in the near future there is the possibility to use CFD for these kind of problems.

Em experimentos com um cilindro flexível com rigidez a flexão ortotrópica, proporcionando razão entre frequências naturais longitudinal e transversal muito próximas a quatro (fx1fy1/=4,08), Fujarra et al (2001) [17] revelaram um ramo de resposta em VIV em alta velocidade. Tal ramo de respostas estável, excitado por perturbações a montante, era caracterizado por amplitudes transversais ao escoamento com ordem de 1 diâmetro e componentes de alta frequência no espectro de energia, estendendo-se por faixa de velocidade reduzida 12 < U* < 20 e esvaindo-se a partir da emergência de oscilações no segundo modo de vibração. Almejando aprofundar as investigações acerca deste intrigante achado experimental, uma nova campanha investigativa foi planejada e executada. Quatro cilindros flexíveis com distintas razões de rigidez ortotrópica foram construídos em resina polimérica, com enrijecedores internos de seções retangulares feitos de alumínio, resultando um conjunto com frequências naturais, correspondentes a modos longitudinais e transversais, com razões relativas: 4:1, 3:1, 2:1 e 1:1. Os cilindros foram verticalmente fixados a uma célula de carga 3D. Uma série de ensaios foi conduzida, sob velocidade de escoamento crescente e decrescente. As vibrações dos cilindros flexíveis foram capturadas através de um sistema óptico subaquático, posicionado a jusante, que rastreava a posição de alvos constituídos por fitas refletivas afixadas ao longo do comprimento do cilindro. Clássicas técnicas de análise espectral, decomposição modal no domínio do tempo e a Transformada de Hilbert-Huang foram utilizadas de modo encadeado e recursivo com o fim de determinar as respostas de vibração, em amplitude e frequências dominantes, em função da velocidade reduzida. O ramo de resposta em altas velocidades reduzidas foi recuperado nos experimentos com os quatro cilindros. Análise comparativa sistemática permitiu concluir que o ramo de resposta em tela se deve ao lock-in de modos longitudinais, que são excitados em velocidades reduzidas tão mais altas quanto maior for a razão de frequências considerada. Empregando-se, então, os deslocamentos e velocidades modais medidos em formulação de Mineto (2013) [23], foi realizada estimativa de potência elétrica a ser extraída pelo emprego de finos filmes de material piezelétrico depositados sobre as lâminas enrijecedoras internas aos cilindros. / A previous work by Fujarra et al. (2001) revealed a \"high speed mode branch\" in cantilevered flexible cylinders subjected to VIV. That work studied a flexible cylinder with orthotropic bending stiffness in a recirculating water channel, by setting the ratio between the first natural frequencies, in the in-line and cross-wise directions to the flow, very close to four (fx1fy1/=4,08). Such a new stable response branch, triggered by upstream hydrodynamic perturbations, was characterized by amplitudes, perpendicular to the flow, of order of one diameter and by high frequencies components in the energy spectrum. The branch extends from reduced velocity circa 12 up to 20, being extinguished by the onset of the second vibration mode lock-in. Aiming at investigating further this intriguing experimental finding, a new campaign has been planned and performed. Four flexible cylinders with distinct orthotropic bending ratios were built, by molding thin aluminum stiffeners, of rectangular cross section, inside the cylinders made of a flexible resin. The respective natural frequencies ratio, between in-line and cross-wise bending modes, was set to 4:1, 3:1, 2:1 and 1:1. The flexible cylinders were vertically clamped to a 3D load cell. A series of experimental runs were carried out, under ascending and descending flow speeds. The flexible cylinder vibration was captured trough an underwater optical system, placed downstream, by tracking 3D Cartesian coordinates of reflective strips placed all along the span, at equi-spaced cross sections. Besides standard spectral analysis techniques, modal decomposition in time domain and the Hilbert-Huang Transform have been recursively used together to determine amplitude and dominant response frequencies. The \"high speed mode branch\" revealed for all four cylinders tested. Systematic comparative analysis allowed us to conclude that such a response branch is caused by the lock-in of longitudinal modes, excited at reduced velocities ranges that increase with the frequency ratio considered. Finally, using measured modal responses in Mineto (2013) [23] formulation, the electric power that would be extracted by the use of thin piezoelectric layers deposited over the internal stiffeners blades was estimated.

O fenômeno de stick-slip, no processo de perfuração de poços de petróleo, é propiciado pela interação entre broca e formação rochosa e pode dar origem a grandes oscilações na velocidade angular podendo provocar danos irreparáveis ao processo. Neste trabalho, analisa-se o desempenho de leis de controle aplicadas à mesa rotativa (responsável por movimentar a coluna de perfuração), visando à redução de stick-slip e de oscilações da velocidade angular da broca. As leis de controle implementadas são do tipo PI (Proporcional-Integral), com parcelas de torque aplicado à mesa rotativa, proporcional e integral à velocidade da mesa, podendo ser com peso na broca constante ou variável. Para a coluna de perfuração, foi proposto um modelo em elementos finitos com função de forma linear. O torque na broca foi modelado segundo atrito de Coulomb pela forma não regularizada, curva esta ajustada pelos dados empíricos conforme propostas da literatura. Diversos critérios de desempenho foram analisados e foi observado que a minimização do desvio médio da velocidade angular em relação à referência propicia melhores condições de operação. Análises paramétricas dos ganhos de controle proporcional e integral foram realizadas, dando origem a curvas de nível para o desvio médio de velocidade angular na broca. A partir destas curvas, foram definidas regiões de estabilidade nas quais o desvio é aceitável. Estas regiões foram observadas serem maiores para menores pesos na broca e maiores velocidades angulares de referência e vice-versa. A adição do controle do peso na broca permitiu uma redução global dos níveis de desvio médio de velocidade angular, dando origem a um aumento das regiões de estabilidade do processo de perfuração. / The stick-slip phenomenon, in the process of drilling oil wells, due to the interaction between drill and rock formation can lead to large fluctuations in drill-bit angular velocity and, thus, cause irreparable damage to the process. In this work, the performance of control laws applied to the rotary table (responsible for moving the drill string) is analyzed, in order to reduce stick-slip and drill-bit angular velocity oscillations. The control laws implemented are based on a PI (Proportional-Integral) controller, for which the torque applied to the rotating table has components proportional and integral to table angular velocity with constant or variable WOB (Weight On Bit). For the drillstring, a finite element model with a linear interpolation was proposed. The torque on the drill-bit was modeled by a non-regularized Coulomb friction model, with parameters that were adjusted using empirical data proposed in literature. Several performance criteria were analyzed and it was observed that the minimization of the mean deviation of the drill-bit angular velocity relative to the target one would provide the best operating condition. Parametric analyses of proportional and integral control gains were performed, yielding level curves for the mean deviation of drill-bit angular velocity. From these curves, stability regions were defined in which the deviation is acceptable. These regions were observed to be wider for smaller values of WOB and higher values of target angular velocity and vice-versa. The inclusion of a controlled dynamic WOB reduced the levels of mean deviation of angular velocity, leading to improved stability regions for the drilling process.