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Nonlinear vibrations of 3D beamsStoykov, Stanislav Dimitrov January 2012 (has links)
This work was supported by Fundação para a Ciência e a Tecnologia, through the scholarship SFRH/BD/35821/2007 / Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012
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Projeto, construção e caracterização de um amortecedor ativo controlado por atuador piezoelétrico / Design, construction and characterization controlled by Piezoelectric ActuatoTeixeira, Rafael Luís 22 February 2007 (has links)
Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This thesis presents the design methodology, the construction of a prototype and the
experimental validation of an active vibration damper witch is controlled by a piezoelectric
actuator. The proposed device has two flexible metallic bellows connected to a rigid
reservoir filled with a viscous fluid. When one of the bellows is connected to a vibrating
structure a periodic flow passes through a variable internal orifice and the damping effect is
produced. The size of the orifice is adjusted by a piezoelectric control system that positions
the conical core into a conical cavity. The damper device finite element computational model
was developed considering that the valve body is rigid and that the fluid - structure iteration
occurs between the fluid and the flexible bellows. This model is discretized using a
lagrangean-eulrian formulation. The actuator has a closed flexible metallic structure that
amplifies the displacement produced by an internally mounted stack of piezoelectric ceramic
layers, and it is also modeled by the finite element method. The damper prototype was built
and experimental tests using impulsive and harmonic excitations were conducted to
determine its dynamic behavior and also to validate the developed computational models.
The simulation and experimental results are compared by curves that relate the damping
coefficient with the size of the orifice. Reduced dynamical models are proposed to represent
the behavior of the damper device with fixed and variable orifice sizes. A local classic PID
controller for the piezoelectric actuator was design to assure that the valve core assume the
correct position, providing the commanded damping coefficient. The damper device was
applied to a vibration system that represents the model of a quarter-car vehicle. One on-off
controller and another fuzzy controller were design to control the vibrations of the vehicle
equipped with the proposed active damper. Experimental tests shown that the damping
coefficient values, commanded by the global controller, were achieved in time intervals
lesser than 10 milliseconds. These results demonstrate the very good performance of the
proposed damper device. / Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de projeto, a construção
de um protótipo e a validação experimental de um amortecedor ativo de vibrações
controlado por um atuador piezelétrico. O dispositivo proposto contém um circuito hidráulico
constituído por dois foles metálicos flexíveis conectados a um reservatório rígido cheio com
um fluido viscoso. Quando um dos foles é conectado a uma estrutura vibratória um fluxo de
fluido é forçado através de um orifício variável, produzindo o efeito de amortecimento. O
tamanho do orifício é ajustado por um sistema piezelétrico de controle que posiciona um
obturador cônico numa cavidade cônica. O amortecedor é modelado pela técnica dos
elementos finitos considerando que o corpo da válvula rígido e que existe interação entre o
fluido interno e a estrutura flexível dos foles. Este modelo é discretizado utilizando uma
formulação Lagrangeana Euleriana. O atuador, composto por uma estrutura metálica
flexível que amplifica o deslocamento produzido por uma pilha de cerâmicas piezelétricas,
também é modelado pela técnica dos elementos finitos. Foi construído um protótipo do
amortecedor e realizados ensaios experimentais com excitações impulsivas e harmônicas,
para determinar o comportamento dinâmico e para validar os modelos computacionais
desenvolvidos. A relação entre o tamanho do orifício e a correspondente força de
amortecimento produzida é obtida tanto a partir de simulações feitas com o modelo
computacional, como através de ensaios com o protótipo, para valores do tamanho do
orifício fixos e variáveis. Propõe-se o uso de modelos dinâmicos reduzidos para representar
a dinâmica do amortecedor. Para garantir que o atuador piezelétrico posicione corretamente
o obturador da válvula, foi incorporado ao amortecedor um controlador local clássico tipo
PID. O amortecedor ativo foi aplicado a um sistema vibratório que representa o modelo de
um quarto de um automóvel. Desenvolveu-se projeto de um controlador liga - desliga e de
um controlador fuzzy para controlar a vibração do veículo equipado com o amortecedor
ativo. Testes experimentais mostraram que as alterações no valor do coeficiente de
amortecimento da suspensão, comandadas pelo controlador global, foram realizadas em
tempos inferiores a 10 milisegundos, indicando excelente desempenho do amortecedor
proposto. / Doutor em Engenharia Mecânica
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Efeito da modelagem do carregamento, do impacto do calcanhar humano e do amortecimento estrutural na resposta dinâmica de passarelas mistas / Modeling the effect of loading, the impact of Calcanhar Human and Damping Structural Dynamics in Response to Passarelas MixedNelson Luiz de Andrade Lima 01 March 2007 (has links)
Considerando-se as exigências impostas por projetos arquitetônicos cada vez mais arrojados as passarelas de pedestres têm sido comumente projetadas cada vez mais leves
e com grandes vão livres. Este procedimento tem gerado sistemas estruturais bastante esbeltos e os estados limites últimos e de utilização que norteiam o dimensionamento tem
sido modificados. Uma outra conseqüência desta tendência de projeto diz respeito a um aumento considerável dos problemas referentes à vibração. No caso particular de passarelas, este
fenômeno ocorre quando a freqüência fundamental da estrutura é igual ou se aproxima da freqüência do passo do pedestre. Atividades como caminhar, correr ou pular produzem excitações dinâmicas. Essas forças dinâmicas, em determinados casos, podem vir a produzir níveis de vibração elevados e, por conseguinte, perturbar ou até mesmo alarmar as pessoas que estiverem utilizando a estrutura. Como o propósito primário das passarelas é o transporte de pedestres, as mesmas precisam estar seguras e apresentar um comportamento que não ofereça desconforto aos usuários.
Tendo em mente todos esses aspectos, o desenvolvimento desta dissertação tem como objetivos o estudo da influência da modelagem do carregamento dinâmico, proveniente dos pedestres, impacto do calcanhar humano e, bem como, do amortecimento estrutural sobre a resposta dinâmica de passarelas mistas (aço-concreto). Para tal, um modelo mais realista que incorpora as ações dinâmicas induzidas pelos
pedestres, de modo a considerar o impacto transiente do calcanhar dos mesmos será objeto de estudo na presente investigação. Neste modelo de carregamento, o movimento de
pernas que causa a subida e descida da massa efetiva do corpo em cada passo foi considerado e a posição do carregamento dinâmico foi alterada de acordo com a posição do individuo, assim a função de tempo, correspondente a excitação induzida pela caminhada, teve uma variação espacial e temporal.O modelo estrutural utilizado baseia-se no projeto de diversas passarelas mistas (aço-concreto). A resposta dinâmica das passarelas, em termos das acelerações verticais de pico e rms (root mean square), é obtida e comparada com os valores limites propostos por normas de projeto, objetivando a verificação do conforto humano. Com base nos resultados alcançados nesta dissertação foi possível demonstrar a importância dos parâmetros investigados (modelagem da carga dinâmica, efeito do calcanhar humano e
amortecimento estrutural) e como estes influenciam substancialmente na avaliação da resposta dinâmica das passarelas. Os resultados obtidos ao longo do estudo indicam, claramente, que os projetistas estruturais devem ser alertados para distorções importantes que ocorrem quando os efeitos dinâmicos são desprezados na análise deste tipo de estrutura. Os valores máximos de acelerações encontrados violam os critérios de conforto humano quando comparados com aqueles previstos em diversas recomendações de projeto. Portanto, verifica-se que as passarelas de pedestres podem atingir níveis de vibração elevados os quais podem
comprometer o conforto humano e a segurança dos usuários da obra.
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Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas. / Vibration analysis and study of human confort on composite floor (steel-concrete) subjected a human rhytmic activities.Fernanda Fernandes Campista 03 March 2015 (has links)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos
mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas
rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do
conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas
estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de
sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais
cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações
associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase
em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A
modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego
do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do
método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das
atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos
dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o
modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em
termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites
recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso
estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de
vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta
dissertação. / This study aims to assess the dynamic behaviour of steel-concrete composite
floors when subjected to human rhythmic activities, specifically the practice of
aerobics, from the point of view of human comfort. This evaluation is required due to
the increasing of the structural problems associated with excessive vibrations, related
to structural systems designed with low levels of damping and low natural
frequencies, close to the excitation frequencies associated with human rhythmic
activities. The investigated structural system is composed by a steel-concrete
composite floor subjected to aerobics. The proposed analysis methodology adopted
the usual mesh refinement techniques present in the finite element method (FEM)
simulations implemented in the ANSYS program. The loads applied on the floor,
related to aerobics, are simulated using two different dynamic loading models. An
extensive parametric analysis was developed on the investigated structural model
and the system dynamic response was obtained, based on displacement and
accelerations values, and compared with the recommended limits by standards and
design criteria. The studied floor dynamic response violated the human comfort
design criteria and indicated levels of excessive vibration in the investigated dynamic
loading cases along this dissertation.
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Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres. / Modeling of human walking and evaluation of human confort of pedestrian footbridges.Williams Dias Lozada Peña 26 March 2015 (has links)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a
exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam
consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da
estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido
à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde
uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso
estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois
modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto,
onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos
finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as
frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos
modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da
estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das
acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais
guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em
passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos
após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito
um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as
passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas
nestas situações. / The structural engineer needs to adapt with the exigencies of low weight and
less space occupied by the structures, which have been increasing more and more
over the years. Related to footbridges, the structure slenderness and the low weight
may lead to vibrations problems due to resonance with pedestrians walking. These
problems may vary from a simple discomfort up to big problems, like the structural
collapse. According to these premises, this dissertation aims to investigate two
structural models, the first one in reinforced concrete and the other is related to
a steel-concrete composite pedestrian footbridge, which will be analyzed by finite
element method simulations using the software ANSYS. The numerical models make
possible to evaluate the natural frequencies of structures and study the response due
to forced vibrations induced by pedestrians walking. The dynamic responses of the
investigated footbridges will be analyzed considering the maximum displacements
and accelerations. The obtained results were compared with the main guidelines
related to human comfort with regard to pedestrian walking on footbridges, in such a
way that it showed possible problems due to vibrations, after analyzing the results
obtained in the investigation. Thus, it was performed a study considering the variance
of pedestrian position in order to analyze the dynamic response of the investigated
footbridges in these cases.
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Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas. / Vibration analysis and study of human confort on composite floor (steel-concrete) subjected a human rhytmic activities.Fernanda Fernandes Campista 03 March 2015 (has links)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos
mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas
rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do
conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas
estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de
sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais
cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações
associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase
em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A
modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego
do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do
método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das
atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos
dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o
modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em
termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites
recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso
estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de
vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta
dissertação. / This study aims to assess the dynamic behaviour of steel-concrete composite
floors when subjected to human rhythmic activities, specifically the practice of
aerobics, from the point of view of human comfort. This evaluation is required due to
the increasing of the structural problems associated with excessive vibrations, related
to structural systems designed with low levels of damping and low natural
frequencies, close to the excitation frequencies associated with human rhythmic
activities. The investigated structural system is composed by a steel-concrete
composite floor subjected to aerobics. The proposed analysis methodology adopted
the usual mesh refinement techniques present in the finite element method (FEM)
simulations implemented in the ANSYS program. The loads applied on the floor,
related to aerobics, are simulated using two different dynamic loading models. An
extensive parametric analysis was developed on the investigated structural model
and the system dynamic response was obtained, based on displacement and
accelerations values, and compared with the recommended limits by standards and
design criteria. The studied floor dynamic response violated the human comfort
design criteria and indicated levels of excessive vibration in the investigated dynamic
loading cases along this dissertation.
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Modelagem do caminhar humano e avaliação de conforto humano de passarelas de pedestres. / Modeling of human walking and evaluation of human confort of pedestrian footbridges.Williams Dias Lozada Peña 26 March 2015 (has links)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o passar dos anos a engenharia estrutural passou a lidar com a
exigência cada vez maior de estruturas que ocupem menos espaço e sejam
consideravelmente mais leves. No caso de passarelas de pedestres, a esbeltez da
estrutura aliada a um baixo peso pode acarretar em problemas de vibrações devido
à ressonância com o caminhar dos pedestres. Estes problemas podem variar desde
uma simples sensação de desconforto até problemas mais graves como o colapso
estrutural. Com base nestas premissas, esta dissertação visa investigar dois
modelos estruturais, um em concreto armado e outro misto, do tipo aço concreto,
onde os modelos serão estudados mediante o emprego do método dos elementos
finitos através do programa ANSYS. Os modelos numéricos permitem determinar as
frequências naturais da estrutura e consequentemente estudar as respostas dos
modelos mediante análises de vibrações forçadas. As respostas dinâmicas da
estrutura serão obtidas em termos dos valores dos deslocamentos máximos e das
acelerações de pico. Os resultados obtidos foram comparados com os principais
guias que regem o conforto humano no caso de caminhar de pessoas em
passarelas de pedestres, de forma que houve indicativos de possíveis desconfortos
após a análise dos resultados obtidos ao longo da investigação. Finalmente, foi feito
um estudo considerando-se movimentos aleatórios dos pedestres sobre as
passarelas, objetivando estudar os níveis da resposta dinâmica das estruturas
nestas situações. / The structural engineer needs to adapt with the exigencies of low weight and
less space occupied by the structures, which have been increasing more and more
over the years. Related to footbridges, the structure slenderness and the low weight
may lead to vibrations problems due to resonance with pedestrians walking. These
problems may vary from a simple discomfort up to big problems, like the structural
collapse. According to these premises, this dissertation aims to investigate two
structural models, the first one in reinforced concrete and the other is related to
a steel-concrete composite pedestrian footbridge, which will be analyzed by finite
element method simulations using the software ANSYS. The numerical models make
possible to evaluate the natural frequencies of structures and study the response due
to forced vibrations induced by pedestrians walking. The dynamic responses of the
investigated footbridges will be analyzed considering the maximum displacements
and accelerations. The obtained results were compared with the main guidelines
related to human comfort with regard to pedestrian walking on footbridges, in such a
way that it showed possible problems due to vibrations, after analyzing the results
obtained in the investigation. Thus, it was performed a study considering the variance
of pedestrian position in order to analyze the dynamic response of the investigated
footbridges in these cases.
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Efeito da modelagem do carregamento, do impacto do calcanhar humano e do amortecimento estrutural na resposta dinâmica de passarelas mistas / Modeling the effect of loading, the impact of Calcanhar Human and Damping Structural Dynamics in Response to Passarelas MixedNelson Luiz de Andrade Lima 01 March 2007 (has links)
Considerando-se as exigências impostas por projetos arquitetônicos cada vez mais arrojados as passarelas de pedestres têm sido comumente projetadas cada vez mais leves
e com grandes vão livres. Este procedimento tem gerado sistemas estruturais bastante esbeltos e os estados limites últimos e de utilização que norteiam o dimensionamento tem
sido modificados. Uma outra conseqüência desta tendência de projeto diz respeito a um aumento considerável dos problemas referentes à vibração. No caso particular de passarelas, este
fenômeno ocorre quando a freqüência fundamental da estrutura é igual ou se aproxima da freqüência do passo do pedestre. Atividades como caminhar, correr ou pular produzem excitações dinâmicas. Essas forças dinâmicas, em determinados casos, podem vir a produzir níveis de vibração elevados e, por conseguinte, perturbar ou até mesmo alarmar as pessoas que estiverem utilizando a estrutura. Como o propósito primário das passarelas é o transporte de pedestres, as mesmas precisam estar seguras e apresentar um comportamento que não ofereça desconforto aos usuários.
Tendo em mente todos esses aspectos, o desenvolvimento desta dissertação tem como objetivos o estudo da influência da modelagem do carregamento dinâmico, proveniente dos pedestres, impacto do calcanhar humano e, bem como, do amortecimento estrutural sobre a resposta dinâmica de passarelas mistas (aço-concreto). Para tal, um modelo mais realista que incorpora as ações dinâmicas induzidas pelos
pedestres, de modo a considerar o impacto transiente do calcanhar dos mesmos será objeto de estudo na presente investigação. Neste modelo de carregamento, o movimento de
pernas que causa a subida e descida da massa efetiva do corpo em cada passo foi considerado e a posição do carregamento dinâmico foi alterada de acordo com a posição do individuo, assim a função de tempo, correspondente a excitação induzida pela caminhada, teve uma variação espacial e temporal.O modelo estrutural utilizado baseia-se no projeto de diversas passarelas mistas (aço-concreto). A resposta dinâmica das passarelas, em termos das acelerações verticais de pico e rms (root mean square), é obtida e comparada com os valores limites propostos por normas de projeto, objetivando a verificação do conforto humano. Com base nos resultados alcançados nesta dissertação foi possível demonstrar a importância dos parâmetros investigados (modelagem da carga dinâmica, efeito do calcanhar humano e
amortecimento estrutural) e como estes influenciam substancialmente na avaliação da resposta dinâmica das passarelas. Os resultados obtidos ao longo do estudo indicam, claramente, que os projetistas estruturais devem ser alertados para distorções importantes que ocorrem quando os efeitos dinâmicos são desprezados na análise deste tipo de estrutura. Os valores máximos de acelerações encontrados violam os critérios de conforto humano quando comparados com aqueles previstos em diversas recomendações de projeto. Portanto, verifica-se que as passarelas de pedestres podem atingir níveis de vibração elevados os quais podem
comprometer o conforto humano e a segurança dos usuários da obra.
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Modelagem estocástica de estruturas compósitas incorporando circuitos Shunt para o controle passivo de vibrações / Stochastic modeling of composite structures incorporating shunt circuits for passive vibration controlRibeiro, Lorrane Pereira 09 September 2015 (has links)
Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Engineering composite structures containing piezoelectric elements coupled with the so-named shunt circuits, with the aim of passive vibration attenuation, are characterized by inherent uncertainties in their parameters, which can affect significantly performance of the passive shunt circuit. In this context, this work presents the stochastic finite element modeling of a composite structure containing piezoelectric element to be coupled with a shunt circuit, in such a way, that uncertain parameters such as the fiber s orientation, layer thicknesses and the resistance and inductance in the shunt circuit are assumed as uncertain variables and, their corresponding dispersion, is characterized in the stochastic response by propagating the uncertainties into the model. First, the deterministic electromechanical problem is modeled by combining the First-Order Shear Deformation Theory and the concept of Equivalent Single Layer, in order to approximate the mechanical displacement fields, with the so-called Layerwise Theory used to model the discrete electric fields within the composite element. In the sequence, the shunt circuits coupled to the piezoelectric element are introduced in the model. The deterministic finite element modeling procedure was performed taking into the parameterization process of the design variables of interest to be further assumed as random variables in a straightforward way. In the present stochastic finite element modeling procedure, the uncertain variables are modeled as Gaussian stochastic homogeneous fields and discretized according to the Karhunen-Loève expansion method, with the aim of generating the exact stochastic matrices. The obtained results, in terms of the envelopes of the frequency response functions for a composite beam incorporating piezoelectric material coupled with a shunt circuit, demonstrate the interest in considering the uncertainties in the preliminary design phase of the shunt circuits to control the undesired vibrations. / Estruturas compósitas em engenharia contendo elementos piezelétricos acoplados a circuitos elétricos shunt, para fins de atenuação passiva dos níveis de vibração, apresentam incertezas inerentes em seus parâmetros de projeto, as quais, podem afetar significativamente a eficiência dos circuitos elétricos passivos. Neste contexto, este trabalho apresenta a modelagem por elementos finitos estocásticos de uma estrutura em material compósito laminado contendo elemento piezelétrico acoplado a circuitos elétricos shunt, de modo que, parâmetros incertos, como direções das fibras, espessuras das camadas e a resistência e indutância do circuito shunt, são assumidos como sendo variáveis aleatórias e, a dispersão destas variáveis, é caracterizada nas respostas estocásticas obtidas após a propagação das incertezas no modelo. Desta forma, realiza-se em um primeiro momento a modelagem do problema eletromecânico determinístico. Para tal, há combinação das teorias de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem e da Camada Equivalente Única para aproximação dos campos de deslocamentos mecânicos, com a Teoria Layerwise, que utiliza o conceito de Camadas Equivalentes Discretas na consideração dos campos elétricos, os quais, são assumidos discretos ao longo da espessura da estrutura do laminado. Na sequência, faz-se a inclusão dos circuitos elétricos shunt no modelo eletromecânico. A modelagem determinística é realizada de forma parametrizada para que se possa realizar a introdução a posteriori das incertezas no modelo de forma mais eficiente. Utilizando-se do Método dos Elementos Finitos Estocásticos, os parâmetros fatorados das matrizes e os elementos do circuito são considerados como variáveis aleatórias e modelados como campos homogêneos estocásticos gaussianos. Estes campos são então discretizados de acordo com o método de expansão em série de Karhunen-Loève, onde são geradas as matrizes estocásticas exatas do sistema eletromecânico via modificação do processo de integração pelas funções de covariância. Os resultados obtidos, em termos dos envelopes das respostas em frequência para uma viga compósita contendo um elemento piezelétrico acoplado ao circuito shunt, evidenciam a importância de se considerar as incertezas durante as fases de concepção inicial e/ou pré-projeto de sistemas dinâmicos incorporando circuitos shunt para o controle passivo de vibrações. / Mestre em Engenharia Mecânica
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Investigação experimental de vibrações induzidas por escoamento em cilindros flexíveis com rigidez ortotrópica. / Flow-induced vibration experimental investigation in flexible cylinders with orthotropic bending stiffness.Wagner Antonio Defensor Filho 23 March 2018 (has links)
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.
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